在物理學(xué)的海洋中，有一座奇異的島嶼，名為“單線態(tài)島”。這座島嶼的溫度由北向南越來越暖。在最北部的極寒地區(qū)，溫度低于-271.5 攝氏度(或者說 1.6 開爾文)，那里居住著一些具有神奇能力的居民——“超導(dǎo)人”，他們非常畏懼高溫，一旦溫度過高，超能力便會失效。偶爾，你能在高于 30 開爾文的中部島嶼上發(fā)現(xiàn)他們的蹤跡，但南部對他們來說似乎實(shí)在太熱了。

　　除了溫度之外，這座島嶼上的山峰也會對超導(dǎo)人造成影響，山峰的磁場會干擾超導(dǎo)人的超導(dǎo)能力。外部的探險(xiǎn)家非常想要借用超導(dǎo)人的這種神奇力量。這種力量非常強(qiáng)大，探險(xiǎn)家若想要建造出一種名為量子計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大機(jī)器，就必須要有超導(dǎo)人的幫忙。因此他們從未停止在全島搜索超導(dǎo)人的下落，包括島嶼南部。

　　探險(xiǎn)者在單線態(tài)島上發(fā)現(xiàn)了很多超導(dǎo)人，后來他們聽島上的超導(dǎo)人說，在很久很久以前，有一部分超導(dǎo)人漂洋過海去到了位于單線態(tài)島東部的島嶼，并告訴他們，在那座島嶼上，或許也居住著他們的同伴。

　　探險(xiǎn)家立即出發(fā)前往那座島嶼，果不其然，在那座名為“三重態(tài)島”的島嶼上，他們遇到了一些非常罕見的超導(dǎo)人。而更重要的是，他們在三重態(tài)島的北部地區(qū)意外地發(fā)現(xiàn)了有一種名為碲化鈾(UTe?)的超導(dǎo)人，這種超導(dǎo)人似乎絲毫不受高聳山峰對它們施加的磁場的影響。無論周圍環(huán)境如何干擾，它們?nèi)阅芫S持其超導(dǎo)能力，這不禁讓探險(xiǎn)家喜出望外：這不正是制造量子比特的絕佳人才嗎!

　　1.

　　其實(shí)，上面這則小故事中的 UTe?是一種超導(dǎo)材料。在最近的《科學(xué)》雜志上，來自美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所(NIST)的科學(xué)家詳細(xì)描述了這種材料擁有的一些非比尋常的特性，無論從技術(shù)應(yīng)用還是基礎(chǔ)科學(xué)的角度，這些罕見的性質(zhì)都非常有趣。

　　一直以來，科學(xué)家都非常希望能夠找到適合建造量子計(jì)算機(jī)的材料。在研發(fā)過程中所遇到的眾多難題中，其中一個(gè)就是他們需要讓量子計(jì)算機(jī)的內(nèi)存存儲開關(guān)(即量子比特)可以運(yùn)行足夠長的時(shí)間，這樣才能在失去允許它們作為一個(gè)整體運(yùn)行的微妙物理關(guān)系之前，完成一次計(jì)算。而這種微妙的物理關(guān)系就是量子相干，在周圍環(huán)境的干擾下，量子相干非常難以維持，這是一件很難做到的事。

　　但這次的意外發(fā)現(xiàn)讓科學(xué)家意識到，似乎可以利用具有超強(qiáng)的抗磁能力的 UTe?來幫助解決這個(gè)難題。在超導(dǎo)材料中，具有如此強(qiáng)大的抗磁場能力是非常罕見的，這為設(shè)計(jì)量子比特提供了獨(dú)特的優(yōu)勢。其主要原因是，它對那些容易進(jìn)入量子計(jì)算的誤差具有很強(qiáng)的抵抗能力。UTe?可以為一個(gè)的量子計(jì)算機(jī)創(chuàng)造出高效的量子比特，這對新生的量子計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)格外具有吸引力。甚至有科學(xué)家稱，UTe?這種材料或許將成為量子信息時(shí)代的硅。

　　2.

　　首先，UTe?具有非常特別的導(dǎo)電方式。在 UTe?這種超導(dǎo)材料中，它的電子“配對”方式是與其他超導(dǎo)材料不同。何為“配對”?我們知道，在銅線或一些其他的普通導(dǎo)體中，電子是以單個(gè)粒子的形式運(yùn)動的;但在所有的超導(dǎo)體中，它們都會成對，形成所謂的“庫珀對”。這些材料之所以具有超導(dǎo)性，就是因?yàn)榫哂心茏岆娮优鋵Φ碾姶畔嗷プ饔谩?/p>

　　對庫柏對來說，尤為重要的是電子的量子“自旋”，這是所有電子都具有的性質(zhì)，有了自旋，每個(gè)電子的行為都像是它們被一個(gè)小型的條形磁鐵穿過了一樣。在大多數(shù)超導(dǎo)材料中，成對電子的量子自旋一個(gè)指向上方，一個(gè)伴指向下方。這種相反的配對被稱為自旋單線態(tài)。

　　在已知的超導(dǎo)體中，還有一小部分“不守規(guī)矩”的材料，它們的庫珀對的自旋可以有三種組合方式，使它們成為了所謂的自旋三重態(tài)，它們的自旋可以朝著同一方向。UTe?就是其中之一。

　　大多數(shù)自旋三重態(tài)的超導(dǎo)體也被預(yù)測為是“拓?fù)?rdquo;超導(dǎo)體，它們具有一種具有非常有用的特性，那就是超導(dǎo)性可以在材料的表面發(fā)生，而且即使遭受到了外部干擾，也能維持超導(dǎo)性。也就是說，這種擁有平行自旋的庫珀對或許能完美地讓量子計(jì)算機(jī)維持其功能，它們不會因?yàn)榱孔訚q落而崩潰。

　　到目前為止，所有的量子計(jì)算機(jī)都需要一種能用來糾正那些能從它們周圍悄悄潛入的錯(cuò)誤的方法。在這個(gè)問題上，超導(dǎo)材料一直被認(rèn)為具有普遍的優(yōu)勢，而拓?fù)涑瑢?dǎo)體特性還具有無需量子誤差校正的額外優(yōu)勢。一個(gè)拓?fù)涑瑢?dǎo)體可以提供一個(gè)沒有錯(cuò)誤的量子比特，而且它們還可能擁有很長的壽命。拓?fù)涑瑢?dǎo)是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的另一種途徑，它們可以保護(hù)量子比特免受環(huán)境影響。

　　3.

　　發(fā)現(xiàn) UTe?實(shí)屬偶然，這是研究人員在探索鈾基磁鐵時(shí)的一個(gè)意外驚喜。其實(shí)早在 20 世紀(jì) 70 年代，UTe?就已被創(chuàng)造出來了。即使到最近，科學(xué)界也普遍認(rèn)為它不具有任何特別引人注目的性質(zhì)。而這次，研究人員是在合成相關(guān)材料的過程中，碰巧制造出了一些 UTe?，于是他們在較低的溫度下對其進(jìn)行了測試，看看是否遺漏了什么現(xiàn)象。結(jié)果，他們很快意識到，在他們手上攥著的，或許是對量子計(jì)算機(jī)非常特別的寶藏。

　　接著，他們開始用專業(yè)的工具來探索 UTe?，發(fā)現(xiàn)當(dāng) UTe?處于低溫時(shí)會變成超導(dǎo)，其超導(dǎo)特性與那些稀有的超導(dǎo)體類似。不過那些超導(dǎo)體同時(shí)也是鐵磁性的，就像低溫永磁體一樣。而奇怪的是，UTe?本身并非鐵磁性的。因此從這個(gè)層面上看，可以說 UTe?從根本上就是一種全新的超導(dǎo)材料。

　　除此之外，它對磁場有很強(qiáng)的抵抗力。一般情況下，超導(dǎo)性都會遭到磁場的破壞，但對 UTe?來說，根據(jù)磁場的不同作用方向，UTe?可以承受高達(dá) 35 特斯拉的磁場。這是一個(gè)普通的冰箱磁鐵強(qiáng)度的 3500 倍，是大多數(shù)低溫拓?fù)涑瑢?dǎo)體所能承受的強(qiáng)度的許多倍。

　　4.

　　不過目前，研究人員還沒有最終確認(rèn) UTe?就是拓?fù)涑瑢?dǎo)體，但根據(jù)它所表現(xiàn)出的對強(qiáng)磁場不同尋常的抵抗力，它是拓?fù)涑瑢?dǎo)體的可能性很大。通過進(jìn)一步的探索，或許研究人員將可以更好地理解 UTe?的性質(zhì)，甚至更好地理解超導(dǎo)本身，從而更好地了解應(yīng)該去哪里尋找尚未發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)材料——這是超導(dǎo)研究的一個(gè)主要目標(biāo)。
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