开启量子技术的潜力

纵观人类历史，我们储存信息的大部分努力，从绳结和甲骨文到竹纹和文字，可以归结为两种技术:使用字符或形状来表示信息。今天，大量的信息被存储在带有0和1的硅片上，但一种位于量子化学和量子物理边缘的新材料可以极大地改进存储技术。

化学生物学助理教授徐苏阳正在将量子力学“结”系在拓扑材料上，这可能是开启量子技术存储和处理海量信息阵列潜力的关键，并在多个领域带来改变游戏规则的进展。

“想象一下，一根有许多结的绳子，”徐说。“无论绳子的形状改变多少，如果不通过增加或解开绳结来改变绳子的基本特性，绳结的数量(即拓扑数)就无法改变。”正是这种鲁棒性使拓扑材料变得特别有用。

徐在中国获得了本科学位，他第一次接触到拓扑材料是在2008年，当时他刚开始在普林斯顿大学攻读物理学研究生，这种材料刚被创造出来。徐的研究兴趣涉及量子物质的电子和光学性质，如拓扑和破缺对称态。

拓扑材料使电子沿着其表面和边缘移动，而不产生任何摩擦或损耗，这使它们成为超高速电子产品(如量子计算机)的理想材料。这种设备有潜力比现有的计算机更强大，因为它们的量子位元，被称为“量子位元”，利用量子态的两种特性——叠加和纠缠——来编码信息。

然而，量子态是脆弱的，当它们受到扰动时，会导致退相干、失去同步和丢失存储的信息。由于拓扑材料具有鲁棒性和抗扰性，它们可以用来构建更有弹性和更持久的量子位元。

许志永的物理背景和实验化学经验使他能够在现实世界中验证量子理论。“尽管物理学家和化学家都在研究材料，但物理学家倾向于把它们看作抽象的方程式，而化学家则专注于研究它们涌现出来的特性，”徐说。“因为我有纯粹的物理背景，又会说化学语言，所以我可以把困难的理论翻译成现实空间。”

通过一些合理的假设和一些创新的技术，徐和他的团队用材料测试理论，在量子物理和化学之间架起了桥梁。首先，他们预测哪些材料可以实现拓扑特性。这些物质中元素的化学公式并不能提供足够的见解;徐也对它们的宏观性质感兴趣。

“如果我仅仅通过观察水、蒸汽和冰的H20方程来研究它们，我将无法了解它们的不同性质。”徐说。“作为一名化学家，我试图找到某些元素，并将它们从微观上组织起来，这样它们就能产生一种拓扑性质。”

然后，徐的实验室用实验数据测试当前关于化学反应的理论，以扩展拓扑材料的图谱。徐和他的团队使用专门的冰箱，将原子和分子冷却到略高于绝对零度的温度，在这个温度下，原子和分子变得高度可控和更加可见。他们用电流测试了电子在材料中的流动。

他们还对材料的光学特性感兴趣，测试材料与光的相互作用。该团队向材料发射光子，并根据光的散射、反射和传输方式收集量子力学拓扑数据。徐已经为理论粒子提供了强有力的证据，解决了量子科学中最棘手的问题之一。

“因为我有纯粹的物理背景，又会说化学语言，所以我可以将困难的理论转化为现实空间。——徐苏阳

在《自然》杂志去年报道的一项研究中，徐和他的团队着手研究轴子的性质，轴子是物理学家弗兰克·威尔切克提出的一种理论基本粒子。这位诺贝尔奖得主以一种洗衣粉品牌的名字命名它，因为它填补了理论和观测之间的空白，“清理”了量子色动力学中复杂的、高度技术性的强电荷宇称问题。

此外，关于轴子状态的一个最吸引人的预测是，我们可能可以用它们来控制磁化，这可能会给各种技术带来革命性的变化，因为磁性和磁性材料是许多许多应用的核心。

在一类称为轴子绝缘子的拓扑材料中，徐的团队试图模拟轴子的行为。他们在氩气环境中制作了一种双门控MnBi2Te4器件，并测量了其电学和光学性质，发现了探测和操纵拓扑材料丰富的内部结构的新途径。

“我们发现了一种真正的材料，可以支持轴子绝缘体状态，”徐说。“我们证实了它具有预期的特性，即电和磁之间的强耦合。”

在提供了理论化粒子的证据后，Xu计划探索Weyl半金属的自旋性质，这是一种新的物质状态，具有不同寻常的电子结构，与粒子物理有着深刻的相似之处，并导致了独特的拓扑性质。

文章旨在传播新闻信息，原文请查看https://news.harvard.edu/gazette/story/2022/03/harvard-researcher-unlocks-potential-of-quantum-technologies/