一个国际研究小组发现，一种由分层二维（2D）材料组成的新型异质结构可以帮助克服广泛使用量子计算的主要障碍。这项研究发表在《自然材料》杂志上，由宾夕法尼亚州立纳米科学中心（CNS）的一个团队进行，该中心是美国国家科学基金会支持的19个材料研究科学和工程中心（MRSEC）之一。

分层二维材料的异质结构的形成，设想为乐高式积木锁在一起。资料来源：Elizabeth Floresgomez Murray

普通计算机由数十亿个晶体管组成，被称为比特，并由二进制代码（"0"=关闭，"1"=打开）支配。量子比特，也被称为量子比特，是基于量子力学的，可以同时是"0"和"1"。这被称为叠加，可以使量子计算机比常规的、经典的计算机更加强大。

然而，打造量子计算机有一个问题。

宾夕法尼亚州立大学物理学教授、该研究的通讯作者朱俊说："IBM、Google和其他公司正在试图制造和扩大基于超导量子比特的量子计算机。如何将经典环境的负面影响降到最低，因为经典环境会导致量子计算机的运行出现错误，这是量子计算的一个关键问题。"

这个问题的解决方案可能在一种被称为拓扑量子比特的异国版本中找到。

朱说："基于拓扑超导体的量子比特有望受到超导性的拓扑方面的保护，因此对环境的破坏性影响更加强大。"

拓扑量子比特与数学中的拓扑学有关，即一个结构正在经历物理变化，如被弯曲或拉伸，但仍保持其原始形式的属性。这是一种理论类型的量子比特，尚未实现，但其基本思想是，某些材料的拓扑特性可以保护量子状态不受经典环境的干扰。

物理学研究生和该研究的第一作者Cequn Li说，目前有很多人关注拓扑量子计算。

李说："量子计算是一个非常热门的话题，人们正在考虑如何建立一种计算中误差较小的量子计算机。拓扑量子计算机是一种吸引人的方式。但拓扑量子计算的一个关键是为它开发合适的材料。"

该研究的研究人员通过开发一种称为异质结构的层状材料，在这个方向上迈出了一步。该研究中的异质结构由一层拓扑绝缘体材料，铋锑碲化物或（Bi,Sb）2Te3，和一个超导材料层：镓组成。

朱说："我们开发了一种特殊的测量技术来探测（Bi,Sb）2Te3薄膜表面的近距离诱导超导性。近距离诱导超导性是实现拓扑超导体的一个关键机制。我们的工作表明，它确实发生在（Bi,Sb）2Te3薄膜的表面。这是朝着实现拓扑超导体迈出的第一步"。

然而，这样的拓扑绝缘体/超导体异质结构很难创建。因为不同的材料有不同的晶格结构。如果你把两种材料放在一起，它们可能会相互发生化学反应，最后会出现混乱的界面。

因此，研究人员正在使用一种被称为约束异质外延的合成技术，该技术正在MRSEC进行探索。这涉及到在镓层和（Bi, Sb）2Te3层之间插入一层外延石墨烯，它是一层一到两个原子厚的碳原子片。这使这些层能够衔接和结合，就像把乐高积木扣在一起一样。

李说："石墨烯将这两种材料分开，并作为一个化学屏障。因此，它们之间没有反应，我们最终得到了一个非常好的界面。"

此外，研究人员证明了这种技术在晶圆水平上是可扩展的，这将使它成为未来量子计算的一个有吸引力的选择。晶圆是一种圆形的半导体材料切片，作为微电子的基底。

这种异质结构具有拓扑超导体的所有元素，但也许更重要的是，它是一种薄膜，而且可能是可扩展的。因此，晶圆规模的薄膜在未来的应用上有很大的潜力，例如建立拓扑量子计算机。

这项研究是CNS的IRG1-二维极地金属和异质结构团队的联合努力，由朱俊和宾夕法尼亚州立大学材料科学和工程教授Joshua Robinson领导。参与这项研究的其他教师包括亨利-W-克纳尔早期职业教授和物理学副教授张翠珠，以及宾夕法尼亚州立大学材料科学和工程学院助理教授Danielle Reifsnyder Hickey。