量子计算最头疼的问题从来不是算力不够，而是太容易出错。量子比特极度脆弱，任何微小的环境扰动都可能让计算崩溃，这是横在量子技术走向实用之间最难跨越的障碍之一。
挪威科技大学的物理学家认为，他们找到的一种铌铼合金，可能正是解决这个问题的关键材料。
自旋可以传输，而且不耗能
雅各布·林德和他的同事们正在追踪一个三重态超导体。但那到底是什么？照片里的蓝色东西——当然！它展示了单态超导体转变为三重态超导体的过程。现在感觉更有智慧了吗？不？你需要的其他内容都在文章中。图片来源：盖尔·莫根，NTNU
要理解这项发现的意义，需要先弄清楚两个概念：超导和自旋。
超导是指某些材料在极低温度下电阻降为零，电流可以无损耗地流动。这个特性本身已经非常有用，现有的核磁共振设备和粒子加速器都依赖超导线圈工作。但绝大多数已知的超导体属于“单重态超导体”，负责导电的电子对不携带自旋，只能传输电荷。
自旋是电子的一种内禀属性，可以粗略地理解为电子自身的“小磁针”，方向要么朝上要么朝下。自旋电子学，也就是spintronics，研究的正是如何用自旋而不是电荷来传递和处理信息。自旋信号的优势在于理论上更稳定、更不容易受到热噪声干扰，这对量子计算尤为关键。
问题在于，自旋信号在传输过程中会快速衰减，耗散能量，难以维持。
“三重态超导体”，就是试图同时解决这两个问题的材料。它的电子对携带自旋，理论上可以在零电阻的条件下传输自旋电流，既不损失能量，也不损失信息。
挪威科技大学QuSpin研究中心的雅各布·林德教授把它描述为固态物理学家愿望清单上最重要的一项，也是量子计算领域的“圣杯”。
NbRe：行为和普通超导体完全不一样
将超导体（S）置于两个铁磁体（F）之间，超导性会受到磁化影响（大黑箭头）。三重态超导体与传统超导体受到的影响不同。图片来源：QuSpin/NTNU
几十年来，研究人员一直在寻找确切的三重态超导体，但候选材料要么在极端苛刻的条件下才能表现出相关特性，要么实验结果无法被重复验证，始终没有一个被广泛接受的确定案例。
林德团队与意大利的实验研究者合作，将目光锁定在NbRe上，这是一种铌和铼的合金，两种成分都属于稀有金属。
他们的研究发现，NbRe的行为与标准单重态超导体的理论预期存在明显差异，而这种差异，正好与三重态超导体应有的特征相符。相关论文发表在《物理评论快报》上，并被编辑推荐为重要成果，这一评级在该期刊中并不常见，意味着同行评审专家认为其结果具有较高的科学价值。
林德在论文中直接表述：“我们认为我们可能观测到了三重态超导体。”
值得一提的是NbRe的工作温度。大多数三重态超导候选材料需要被冷却到约1开尔文，也就是比绝对零度高出仅仅1摄氏度，这在实验室里实现起来成本极高，维持时间也极短。NbRe的超导转变温度约为7开尔文，虽然仍然极度寒冷，远超日常感知，但在实验室环境中，7开尔文比1开尔文的可操作性要强得多，也意味着未来潜在的工程应用门槛更低。
离最终确认还差多远
雅各布·林德说：“量子技术的一个主要挑战是能够以足够高精度执行数据运算。”图片来源：Per Henning，NTNU
需要说清楚的是，林德本人在表述上相当审慎。
“现在还为时过早，无法最终断定该材料是否为三重态超导体，”他明确说。三重态超导的确认，需要满足多项独立的实验判据，最重要的一条是必须由其他实验团队在独立条件下重复验证这一结果。这是物理学界对重大发现设置的基本门槛，过去也不乏因未能通过这道门槛而黯然退场的“重大突破”。
室温超导就是一个前车之鉴。近年来多次声称发现室温超导的论文，最终都在独立验证环节折戟，其中包括发表在《自然》杂志上的论文后来被撤稿的案例。科学界对超导领域的重大声明，普遍保持高度谨慎。
但这次与室温超导的情形有所不同。NbRe的超导性本身并无争议，争议在于其是否属于三重态。林德团队提供的是行为异常的间接证据，而非对三重态配对机制的直接测量，后续需要更多针对性实验来填补这个差距。
如果确认，意味着什么
假设NbRe最终被确认为三重态超导体，其影响会从基础物理延伸到应用层面。
在量子计算方向，三重态超导体提供的自旋传输机制，可能从根本上改善量子比特的稳定性。现有量子计算机最大的工程难题之一，正是量子比特的退相干，也就是量子态在极短时间内就会因环境噪声而坍缩。基于自旋的量子比特在理论上对某些噪声源更不敏感，而零阻力的自旋传输则意味着操控量子比特所需的能量耗散可以被大幅压缩。
在更广泛的能源技术领域，能够无损传输自旋电流的材料，也可能在超低功耗计算和新型存储器件中找到应用场景。
当然，从实验室里观察到异常行为，到工程化的量子器件，中间还横亘着材料制备、器件集成、低温工程等一系列现实挑战。这条路不会很短，但方向是清晰的。
林德团队的工作，至少让这条路的起点变得更加可信。
信息来源：https://scitechdaily.com/scientists-may-have-found-the-holy-grail-of-quantum-computing/
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