室温超导量子计算机，来了？

近日，在《纳米快报》上发表的一项研究中[1]，研究人员首次展示了一种新的技术，以原子级的精度测量超导材料中的量子激发。这可以帮助改进量子计算机，甚至可能为室温超导体铺平道路。

在量子计算机的几大家族中，超导量子计算家族尤为引人瞩目，因为其成员不仅多，而且还豪。

据量子客统计，截止2021年6月，在全球144家量子初创公司中，超导是目前初创公司主流的技术路线，占据了全球27%的比例，国内的本源量子也位列其中。而且，科技巨头如IBM、谷歌、英特尔等也纷纷押注。

超导技术栈如此受青睐并不是一蹴而就的，其得益于多年成熟的工艺技术，加之巨头领航，相对于其它技术路线，风险相对较小。

但是，超导技术的实现受限于温度的控制，为了使量子计算机不受外界干扰，必须置于相当于绝对零度的环境当中，这一条件使得量子计算机的成本非常之高。

而近日研究人员在《纳米快报》上发表的研究，可以帮助改进量子计算机，甚至可能为室温超导体铺平道路。

超导体是没有任何电阻的材料，通常需要极低的温度。它们被用于广泛的领域，从医疗应用到量子计算机。超导性是由被称为库珀对（Cooper pairs）的特殊连接的电子对引起的。

到目前为止，库珀对的出现是通过宏观方式间接测量的，但阿尔托大学和美国橡树岭国家实验室的研究人员开发的一项新技术可以以原子级的精度检测它们的出现。

实验是由橡树岭国家实验室的Wonhee Ko和Petro Maksymovych进行的，并得到了阿尔托大学Jose Lado教授的理论支持。电子可以通过 "量子隧道 "穿越能垒，以一种无法用经典物理学解释的方式从一个系统跳到另一个系统的空间。

例如，如果一个电子与另一个电子在金属和超导体的交界处配对，它可以形成一个进入超导体的库珀对，同时也将另一种粒子 "踢回 "金属，这个过程被称为安德烈夫反射。研究人员寻找这些安德烈夫反射来检测库珀对。

为此，他们测量了原子级尖锐金属尖端和超导体之间的电流，以及电流如何取决于尖端和超导体之间的分离。这使他们能够检测到返回超导体的安德烈夫反射量，同时保持与单个原子相当的成像分辨率。实验的结果与Lado教授的理论模型完全一致。

这种在原子尺度上对库珀对的实验检测为理解量子材料提供了一种全新的方法。研究人员首次能够独特地确定库珀对的波函数在原子尺度上是如何重建的，以及它们与原子尺度的杂质和其他障碍物是如何相互作用的。

Lado教授说："这项技术为了解被称为非常规超导体的外来类型的内部量子结构建立了一种关键的新方法，有可能让我们解决量子材料中的各种公开问题。”

非常规超导体是量子计算机的一个潜在的基本构件，可以提供一个在室温下实现超导的平台。库珀对在非常规超导体中具有独特的内部结构，到目前为止，理解这些结构是非常困难的。

这一发现使我们能够直接探测非常规超导体中库珀对的状态，为整个量子材料家族建立了一种关键的新技术。它代表着我们对量子材料的理解向前迈进了一大步，并有助于推动开发量子技术的工作。

引用：

[1]https://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c00697