目前量子電腦的開發經常使用一些無法為大眾市場實現商用化的特殊材料，包括從超冷超導體到利用雷射脈沖將氣體離子充滿電晶體等。如今，這一切即將發生改變。

　　根據美國麻省理工學院(MIT)的研究人員發現，結合鐵磁體和拓撲絕緣體這兩種低成本且來源豐富的固態材料，可望打造以模擬電晶體方式開關量子位元的量子高速公路。

　　“鐵磁性可在塊狀(bulk)能隙帶開啟微小間隙，改變拓撲絕緣體的電子結構，”在MIT教授Ju Li實驗室工作的博士后研究員Cui-zu Chang表示：“此外，它還達到所謂‘量子反常霍爾狀態’(quantum anomalous Hall state)的量子相變，其中耗散較少的對掌型導電通道開口恰好位于零磁場的樣本邊緣。”

　　其結果是，在鐵磁材料和拓撲絕緣體介面的這些特性可能就是制造“完美量子開關”的關鍵——以相對較低廉的材料打造以及僅需少量的能源操作，實現無摩擦的量子位元傳輸。

　　在圖中顯示的層疊結構中，黃色球體代表碲原子；淡藍色球體代表銻-鉍；紫色球體代表硫。帶箭號的黑色球體代表摻雜原子；帶箭號的綠色球體顯示銪原子。各色箭號表示不同的互動——在Heisenberg平面的互動(橘色)、超交換平面之間的互動(綠色)以及在拓撲絕緣表面(藍色)的自旋極化狀態。

　　“多年來，我們研究了與此相關的各種課題——僅在表面/介面建立磁性——其中最迷人的現象就是磁絕緣體與超導體的近接感應交流耦合。這種方式可在介面產生極大的磁場(比地球磁場強度更大數十到數百萬倍Tesla)。”MIT資深科學家Jagadeesh Moodera表示，“由于拓撲絕緣體表面發揮最重要的作用，很顯然地，在本地施加這么巨大的內部磁場影響其重要之處，也不至于明顯干擾材料的其他部份。相反地，這種介面域還開啟了表面能隙帶所需的交換間隙，帶來許多新穎的量子現象，而無需使用非常昂貴且耗費大量能源的外部磁力。”

　　結合這兩種材料，使得開關“量子位元”的奧妙以及像“超導體”般的行為成為可能，為進一步的研究帶來了希望，揭示如何回避至今研究人員針對這兩種現象所使用的暴力途徑。或許無需使用昂貴材料或高成本操作方式，就能實現相同的結果。

　　自旋極化中子光束(紅色球體)入射于樣本上，共同采集自旋元件(紅色和藍色球體)。

　　“現在我們可以自由地操縱介面附近的磁序。小型間隙開口將使得拓撲絕緣體表面的電子狀態表現得像半導體一樣，因而能夠用于半導體產業，”Chang解釋：“盡管用于量子電腦，利用鄰近效應操縱電子狀態，可能導致所謂“馬約拉費米子”(majorana fermions)的糾結電子狀態，可用于量子位元，打造量子電腦的建構模組結構。

　　“馬約拉費米子”是由義大利物理學家埃托雷·馬約拉納(Ettore Majorana)在1937年所提出的假設——每一種新的粒子就是本身的反粒子。“馬約拉費米子”被假定為以準粒子激發的形式存在于超導體中，從而開啟了量子位元沿著拓撲絕緣體表面形成無摩擦傳導的可能性。

　　后續還需要更多的研究才能證實這些結果，以及實際建構出超導量子電晶體。然而，MIT的11位研究人員們(包括美國國家標準技術研究所、布魯克海文國家實驗室、東北大學與波士頓學院的科學家)并不擔心未來所面臨的挑戰。事實上，為了能夠盡快圓夢，他們已經展開下一階段的研究了。

　　“接下來的步驟有兩個方面，一個是基礎研究：我們想用這種磁性來創造其他的新磁序，例如2D自旋液體，它對于解釋高溫超導體可能十分有幫助，”Chang說，“另一方面是應用。我們正試著為日常生活的應用提升在室溫下的效果。”

　　這種“鄰近磁性”效果，以及它所開啟的微小能隙，產生了建構量子電晶體所需的特性，使其得以開關量子位元沿拓撲絕緣體的表面流動的自旋編碼。根據該校博士候選人Mingda Li表示，這些由拓撲絕緣體所激勵的新結構可能成為未來量子電腦的建構模組。

　　這項研究由美國國家科學基金會(NSF)、海軍研究辦公室以及能源部贊助。