发现点路径，如存储器一样的闪存路径，用于存储量子比特

作者：Jade Boyd
特刊大米新闻

莱斯大学的物理学家发现了一种相变量子材料，以及一种寻找更多类似材料的方法，这种材料可能被用于创建类似闪存的存储器，即使在量子计算机断电时也能存储量子比特的信息。

相变材料已用于市售的非易失性数字存储器。例如，在可重写的DVD中，激光用于加热微小的材料，这些材料冷却形成晶体或非晶团块。材料的两个相具有非常不同的光学特性，用于存储数字信息位的 1 和 0。

在最近发表在《自然通讯》（Nature Communications）上的一项开放获取研究中，水稻物理学家Ming Yi和来自十几个机构的三十多位合著者同样表明，他们可以使用热量在两个电子相之间切换铁、锗和碲晶体。在每一种中，电子的受限运动都会产生拓扑保护的量子态。最终，将量子比特存储在拓扑保护状态可能会减少困扰量子计算的退相干相关错误。

“这完全出乎意料，”Yi谈到这一发现时说。“我们最初对这种材料感兴趣，因为它具有磁性。但是，我们会进行测量并看到这个阶段，然后在另一个测量中，我们会看到另一个阶段。名义上是相同的材料，但结果却大不相同。

花了两年多的时间，与数十名同事合作，破译了实验中发生的事情。研究人员发现，在实验之前加热时，一些晶体样品的冷却速度比其他晶体样品快。

与大多数相变存储器技术中使用的材料不同，Yi及其同事发现铁 – 锗 – 碲合金不需要熔化和重结晶来改变相。相反，他们发现晶格中的空原子位点（称为空位）根据晶体冷却的速度以不同顺序排列。为了从一个图案相切换到另一个图案相，他们证明他们可以简单地重新加热晶体并冷却更长或更短的时间。

“如果你想改变材料的空位顺序，这通常发生在比熔化所有东西所需的温度低得多的温度下，”Yi说。

她说，很少有研究探讨量子材料的拓扑性质如何响应空位顺序的变化而变化。

“这是关键的发现，”她谈到该材料的可切换空置顺序时说。“使用空缺顺序来控制拓扑的想法很重要。只是还没有真正探索过。人们通常只从完全化学计量的角度来看待材料，这意味着一切都被一组固定的对称性所占据，这导致了一种电子拓扑结构。空位顺序的变化改变了晶格对称性。这项工作展示了如何改变电子拓扑结构。而且，空位顺序似乎也可以用来诱导其他材料的拓扑变化。

该研究的合著者、赖斯理论物理学家Qimiao Si说：“我发现我的实验家同事们可以即时安排晶体对称性的变化，这真是太神奇了。它为理论提供了完全出乎意料但又完全受欢迎的开关能力，我们寻求通过强相关性和空间群对称性的合作来设计和控制新形式的拓扑结构。

该研究的主要作者是赖斯大学的Han Wu和Lei Chen。Rice的其他合著者包括Jianwei Huang，Xiaokun Teng，Yucheng Guo，Mason Klemm，Chuqiao Shi，Chandan Setty，Yaofeng Xie，Bin Gao，Junichiro Kono，Pengcheng Dai，Yimo Han和Si。Yi、Dai、Han、Kono 和 Si 分别是 Rice Quantum Initiative 和 Rice Center for Quantum Materials 的成员。

该研究由华盛顿大学、洛斯阿拉莫斯国家实验室、韩国庆熙大学、宾夕法尼亚大学、耶鲁大学、加州大学戴维斯分校、康奈尔大学、加州大学伯克利分校、斯坦福直线加速器中心国家加速器实验室、布鲁克海文国家实验室和劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员共同撰写。

这项研究得到了能源部 （DOE） 科学用户设施办公室（DE-AC02-05CH11231、DE-AC02-76SF00515、DE-SC0012704）、美国能源部基础能源科学办公室（DE-SC0021421、DE-SC0018197、DE-SC0019443、DE-AC02-05-CH11231、DE-AC02-76SF00515）、戈登和贝蒂摩尔基金会的 EPiQS 倡议 （GBMF9470）、罗伯特 A. 韦尔奇基金会（C-2175、C-1411、C-1839、C-2065-20210327）、空军科学研究办公室 （FA9550-21-1-0356， FA9550-22-1-0449、FA9550-22-1-0410）、由海军研究办公室代表国防部基础研究办公室 （ONR-VB N00014-23-1-2870）、美国能源部国家核安全局 （89233218CNA000001）、美国能源部实验室指导研究与开发计划 （FR-20-653926）、陆军研究办公室 （W911NF-19-1-0342）、美国国家科学基金会 （2213891、1829070、2100741、2034345）、阿尔弗雷德·斯隆基金会斯隆研究员计划和赖斯电子显微镜中心。