刘东研究组在拓扑量子器件的验证理论方面取得进展
Nov 07 2022
拓扑态可以通过其简并的拓扑基态提供一种非局域方式来存储量子信息。这种非局域性质是量子信息受到拓扑保护的关键。通过对拓扑态中存在的非阿贝尔任意子的融合（fusion）和编织（braiding），研究者们可以实现量子信息的非局域操纵。马约拉纳零模是非阿贝尔任意子的最简单和最有前途的候选者之一。然而，目前存在的融合和编织实验所需要的实验装置和程序超出了现存的技术能力。因此，现阶段亟需通过更加简单的实验技术，比如量子输运探测，来验证拓扑量子器件和拓扑量子比特系统的非局域特征。
众所周知，拓扑超导岛的非局部特征会产生非局域的电子相干（两端）输运。这一非局域的输运过程被称为Fu-teleportation。 然而，Fu-teleportation的输运特征与标准库仑阻塞实验的特征一致。 因此，尚不清楚两端输运是否可以提供有效的非局域特征的实验验证。
最近清华大学物理系刘东课题组提出了一个相对简单的方案来检测拓扑超导岛器件中的马约拉纳零模的非局域特性。在这种器件中，他们发现了一种新型的相干非局域的电子传输过程（文中称为double Majorana-assisted teleportation）。在低能量下，该过程具有反常的普适电导行为：当温度T增加时，电导随温度T的变化会从奇特的T6幂律转变到T3幂律。这些奇异的幂律结果与局域电子传输中普遍的指数行为形成了鲜明的对比。当温度大于安德烈夫束缚态（马约拉纳-马约拉纳耦合）能量时，电导开始随着温度的下降而下降，且呈现出1/T的行为。因此，电导随着温度的变化会出现奇异的非单调温度依赖关系。电导的反常幂律行为和非单调的温度依赖性明显区别于传统的局部输运特征，因此，这个方案可以用来验证拓扑量子器件的非局部远程传输的性质。
该研究成果以“Anomalous universal conductance as a hallmark of non-locality in a Majorana-hosted superconducting island”为题于2022年11月5日发表在Nature Communications上。物理系博士生郝逸汝为论文的第一作者，北京量子信息研究院的助理研究员张谷博士为论文的共同第一作者，前物理系博士后刘东皓博士为第三作者，物理系副教授刘东为论文的通讯作者。该工作受到了国家科学自然基金委、科技部重点研发计划、清华大学低维量子物理国家重点实验室、量子信息前沿科学中心的资助。