Fu-Kane拓扑量子计算方案的实验探索

吕力

中国科学院物理研究所

个人简介: 

       吕力主要从事低维、纳米材料和器件的低温量子输运研究。他曾主导搭建了国内最早的超导量子计算实验条件；随后为开展拓扑物态和拓扑量子计算研究主导建设了我国第一台核绝热去磁制冷装置，把磁场中的二维电子气冷却到了国际领先的极低电子温度；还参与推动并建设了国家大科学装置-综合极端条件用户实验装置。他1982年南京大学物理系毕业，1986年中国科学院物理研究所硕士毕业并留所工作，1989年获首届中国科学院青年科学家奖并获聘物理所副研究员，1992年在职获得博士学位，1992-1995年任美国加州大学伯克利分校物理系Research Associate，1996年获聘物理所研究员。2000－2005年间担任物理所极端条件实验室首任主任，2006年起担任物理所崔琦实验室主任，2009－2017年间担任物理所固态量子信息与计算实验室主任，2006－2012年间担任物理所副所长，2020年起担任物理所怀柔研究部首任主任。2001－2018年间先后担任中国物理学会低温物理专业委员会副主任、主任，2006－2023年间担任中国物理学会常务理事、中国物理学会出版委员会主任，2023年起担任中国物理学会监事，2006年起担任中国物理学会对国际纯粹和应用物理联合会联络人。1997年获得国家杰出青年基金，2012年入选美国物理学会会士，2013年获得中国物理学会胡刚复奖，2018年因参与量子反常霍尔效应的实验发现而获得国家自然科学一等奖。

摘要: 

        2008 年，L. Fu 和 C. L. Kane 提出在 s 波超导体与拓扑绝缘体的界面处诱导出类 p 波超导，并以约瑟夫森三结作为构筑拓扑量子电路的基本单元 [1]。2015 年，Fu 等人进一步提出将三结网络与表面编码技术相结合，以实现通用量子计算 [2]。近十年来，我们利用超导邻近效应在 Bi₂Te₃ 系列材料表面制备平面型约瑟夫森器件，对Fu-Kane拓扑量子计算方案开展了系统的实验研究。我们证实，由此构筑的约瑟夫森单结表现出完全透明的输运行为 [3]；并证明拓扑边界态可以在两端角结 [4] 与三端结 [5] 中被可控地产生，从而导致角点与三端中心微能隙的闭合——这正是马约拉纳零能模出现的标志。此外，我们发现当两个三结相互靠近时，微能隙会重新打开 [6]，与两个马约拉纳零能模之间预期存在的耦合行为相符。我们还在由四个三结构成的信封形器件中探索了两个马约拉纳零能模之间的交换操作 [7]。我们的这些研究表明，基于拓扑绝缘体的约瑟夫森器件有望成为承载与操控马约拉纳零能模的一个实验平台。