二维强自旋轨道耦合系统中的马约拉纳零能模

Quantum computation uses the entangled quantum state to perform parallel computing, and the ability will be much better than the current classical computer. But at this stage, the difficulties are how to build qubits with long enough decoherence time and reliable scalability. Topological quantum computation is one of the promising approaches. The storage and process of information is carried out by braiding non-Abelian anyons under the protection of the topology of the whole system. And thus, it is expected to solve the problems of short decoherence time and scalability. At this moment, topological quantum computation focuses on searching for and studying the non-Abelian Majorana zero mode in nanowires, topological materials, etc. This project will take advantage of the flexibility and scalability of the two-dimensional systems with strong spin-orbit coupling and fabricate topological quantum devices using nano-fabrication techniques. Topological superconductivity and Majorana zero mode will be built at low temperatures and their existence will be confirmed under regulation of electric field, magnetic field and microwaves. The special fusion rule and non-Abelian statistics will be tested and the scheme of Majorana qubit will be pursued.

量子计算是利用纠缠的量子态进行并行计算，运算能力将远超当前的经典计算机。但现阶段的难题在于如何做到量子比特的足够长的退相干时间和规模化。拓扑量子计算是其中的一种方案，是在量子系统整体拓扑性质的保护下通过非阿贝尔任意子的编织操作实现对信息的存储和处理，有望解决量子比特的退相干时间短和不易规模化等难题。当前，拓扑量子计算的重点是在纳米线、拓扑材料等固态系统中寻找和研究符合非阿贝尔统计的马约拉纳零能模。本项目将利用二维强自旋轨道耦合系统在器件制备上的灵活性和易于规模化等优势，结合微纳加工手段制备拓扑量子器件，在极低温下构造拓扑超导和马约拉纳零能模，并利用电场、磁场和微波等调控手段寻找马约拉纳零能模存在的证据，研究其特殊的融合规则和非阿贝尔统计性质，探索马约拉纳量子比特的实施方案。

拓扑量子计算是量子计算的方案之一。它是在量子系统整体拓扑性质的保护下通过非阿贝尔任意子的编织操作实现对信息的存储和处理，有望解决量子比特的退相干时间短和不易规模化等难题。经过4年的研究，本项目在基于强自旋轨道耦合的材料中制备并研究了与超导、正常金属、门电极等结合的复合器件，取得了几个代表性成果，基本完成了既定的目标。.该项目取得的主要进展和结果可以归纳为以下4个方面。.1）研究了Bi2O2Se纳米线的低温输运性质，表明其存在弹道的相干的表面态，这也提供了一种能够在电子学和自旋电子学器件上有广泛的应用的新的材料体系。.2）该项目还利用Bi2O2Se薄膜制备了基于超导近邻效应的约瑟夫森结器件。通过门电压调控，成功实现同一器件中对超流幅度和空间分布的调制。.3）研究了InAsSb纳米线与超导耦合的量子点器件，首次观测到非平衡态下安德烈夫束缚态的劈裂，及其与近藤效应在非平衡态下的相互作用。该工作为安德烈夫束缚态与近藤效应的非平衡过程提供了一个完整的物理图像。.4）研究了Fu－Kane理论建议的约瑟夫森三结器件发现每个约瑟夫森结的能量相位关系是符合|cos(phi/2)|的，且在相位空间中，能隙关闭应是在一个个连续的区域，与理论预期的马约拉纳相图一致。