【導語】量子比特“嬌氣”易失態，天然拓撲材料又稀缺，量子計算機實際應用麵臨重重阻礙。不過，中國學者陳光澤團隊另辟蹊徑，利用磁性為量子比特造“防護甲”，設計出新型量子材料，有望提升量子計算機穩定性，為實用抗幹擾的量子計算平台帶來新曙光。

量子計算機邁向實際應用的主要瓶頸，就是量子比特極其“嬌氣”，哪怕是微小的溫度變化、磁場擾動或振動，都會導致量子比特失去其量子態，造成信息丟失，從而影響計算的可靠性。一個可能的解決方法是利用拓撲保護，但實際材料中拓撲材料相對稀有。

如今，一位年輕的中國學者發現解決問題的突破口。他們的研究團隊放棄苦尋天然稀有材料的舊路，另辟蹊徑，利用磁性為脆弱的量子比特穿上“防護甲”，使其免受環境幹擾，從而成功設計出一種新型量子材料。這一創新方法有望顯著提高量子計算機的穩定性。

撰文 | 路飛

陳光澤 | 圖源：本人提供

今年3月，瑞典查爾姆斯理工大學瑪麗·居裏博士後陳光澤，聯合芬蘭阿爾托大學和赫爾辛基大學，共同宣布一項突破性研究成果：通過利用磁性保護量子態免受環境幹擾的影響，他們成功設計了一種新型量子材料。這一創新方法有望顯著提高量子計算機的穩定性，為更實用、更抗幹擾的量子計算平台鋪平道路。

量子計算機的核心計算單位——量子比特，由於具備疊加和糾纏等獨特的量子現象，有望處理傳統超級計算機無法解決的特定複雜問題。然而，這些量子比特極其“嬌氣”，哪怕是微小的溫度變化、磁場擾動或振動都會導致量子比特失去其量子態，造成信息丟失，從而影響計算的可靠性。這一問題成為量子計算機邁向實際應用的主要瓶頸。

近年來，科學家嚐試通過拓撲結構保護量子態的穩定性。這些通過材料結構自發維持的量子態被稱為拓撲激發，它們能夠顯著提升量子比特的抗幹擾能力。然而，找到天然支持穩定拓撲量子態的材料一直是科學界的一大挑戰。

傳統研究中，“拓撲近藤絕緣體”的拓撲特性依賴於局域 f 電子強烈的自旋軌道耦合（SOC）。

SOC 是一種量子效應，它將電子的自旋與其圍繞原子核的軌道運動聯係起來，在重元素中尤為顯著。對於近藤體係，SOC 不僅影響了 f 電子的能級結構，還在與導帶電子雜化時誘導能帶反(fǎn)轉(zhuǎn)並(bìng)打(dǎ)開(kāi)拓(tà)撲(pū)非(fēi)平(píng)庸(yōng)能(néng)隙(xì)，從(cóng)而(ér)在(zài)能(néng)帶(dài)結(jié)構(gòu)中(zhōng)實(shí)現(xiàn)拓(tà)撲(pū)保(bǎo)護(hù)的(de)表(biǎo)麵(miàn)態(tài)。正(zhèng)因(yīn)為(wèi) SOC 的(de)作(zuò)用(yòng)至(zhì)關重(zhòng)要(yào)，自(zì)然(rán)界(jiè)中(zhōng)像(xiàng) SmB₆ 這(zhè)樣(yàng)同(tóng)時具備強關聯效應與強 SOC 的 f 電子材料極為稀少，這也嚴重限製了拓撲近藤絕緣體的探索範圍。

在此背景下，研究團隊提出了一種基於一維人工近藤晶格的新方案，通過多體近藤物理（量子磁性的集體效應）驅動拓撲激發的產生，擺脫了對強自旋軌道耦合的依賴。陳光澤表示，“糖心免费视频的研究首次在理論上證明了多體近藤相互作用可以獨立驅動拓撲零模的出現，這為拓撲材料的設計開辟了新的途徑。相較於傳統基於稀缺‘自旋-軌道耦合’的研究路徑，磁性更為常見，這為量子計算機平台的材料選擇打開了新天地。”

陳光澤團隊的研究，就像在原子世界裏搭出了一套“量子磁積木”：用電子和磁矩的“集體協作”，代替了稀有的材料特性，造出了能穩定導電的拓撲零模。把拓撲相的“驅動力”從“材料自身的特殊屬性”（強自旋軌道耦合），轉向“人工調控的多體相互作用”，相當於讓拓撲材料的研發從“靠找稀有材料”變成“靠設計相互作用”。2025年3月18日，這項研究成果發表於《物理評論快報》。

不去找稀有材料，去造一維近藤晶格

拓撲近藤絕緣體是凝聚態物理的“明星材料”，它的物理機製奇特，主要建立在兩大基石上——近藤效應和拓撲絕緣體。

近藤效應是金屬裏的一種奇特低溫現象。想象在銅這樣的金屬裏加進一個帶磁性的雜質原子（比如錳），它就像一顆“小磁針”，會影響周圍電子的運動。高溫時，電子動得快，雜質的磁性隻會稍微增加散射，電阻仍然隨溫度降低而下降。但在低溫下，電子的量子效應顯現出來：很多電子自旋會協同作用，把這顆“小磁針”逐漸“包裹”並屏蔽掉。結果就是，電阻不再一直下降，而是在某個溫度附近出現一個“穀底”，這就是近藤效應最直觀的實驗信號。

絕緣體的核心特點，就是自由電子極少，或者電子被能量牆困住——這道牆叫“禁帶”。與普通絕緣體不同，拓撲絕緣體的體內電子被“禁帶”困住，無法自由移動，所以絕緣；但在表麵卻存在一層特殊的“拓撲保護電子態”——這些態都受拓撲性質保護，不容易被雜質或缺陷破壞，因此能穩定地傳導電子。

拓撲近藤絕緣體是上述兩種效應的“雙劍合璧”：體內絕緣源自近藤雜化打開的能隙，而表麵(miàn)導(dǎo)電(diàn)態(tài)則(zé)由(yóu)拓(tà)撲(pū)保(bǎo)護(hù)賦(fù)予(yǔ)。這(zhè)兩(liǎng)種(zhǒng)效(xiào)應(yīng)並(bìng)非(fēi)簡(jiǎn)單(dān)相(xiāng)加(jiā)，而(ér)是(shì)相(xiāng)互(hù)依(yī)存(cún)、協(xié)同(tóng)作(zuò)用(yòng)——近(jìn)藤(téng)效(xiào)應(yīng)提(tí)供(gōng)絕(jué)緣(yuán)體(tǐ)基(jī)態(tài)，SOC 驅(qū)動(dòng)能(néng)帶(dài)反(fǎn)轉(zhuǎn)並(bìng)產生拓撲表麵態。這讓拓撲近藤絕緣體既區別於普通近藤絕緣體（無表麵導電態），也區別於普通拓撲絕緣體（表麵態不依賴近藤效應）——它是多體相互作用（近藤效應）驅動的拓撲材料。

“拓撲近藤絕緣體可以通過“近藤效應 + SOC 誘導的拓撲”來構造。那麽，如果能夠直接利用近藤體(tǐ)係(xì)自(zì)身(shēn)的(de)磁(cí)性(xìng)來(lái)誘(yòu)導(dǎo)拓撲，而不是依賴額外的 SOC，這豈不是更為理想？”陳光澤自問道。他博士期間在芬蘭阿爾托大學研究二維材料中的新奇物態，包括量子自旋液體、重費米子等；博士後期間，他到了瑞典查爾姆斯理工大學，轉向更前沿的開放量子係統和量子模擬。經過博士期間的學習，他覺得磁性在電子相互作用中非常重要，所以在研究量子開放係統的時候，他考慮到了磁性原子。

通過利用磁相互作用（由紅色和藍色箭頭表示）來創建具有強大量子特性的材料的新策略。綠色的小球體代表電子可以駐留並沿鏈移動的位點。特殊的磁性原子（帶箭頭的紫色球體）在某些位置與電子相互作用，如藍色雲所示。 | 圖源：論文

於是，陳光澤決定不去找稀有材料，而是自己動手造一個“一維人工近藤晶格”——原子級小鏈條。

要讓電子形成“邊緣通道”，首先得限製電子的運動方向。這在以往的研究中有不少方法，比如可以利用兩個鏡像對稱的二維材料的邊界（“孿晶界”）來實現一條“細長的跑道”，讓電子隻能沿著這條“跑道”移動（這就是“一維電子氣”）；有了“跑道”，下一步就是讓電子和磁矩發生“協作”。團隊設想進一步在這條“跑道”上精確布置磁性原子（如鈷、鐵），使其充當“近藤自旋位點”，與通道電子產生近藤效應。鑒於掃描隧道顯微鏡（STM）操控單原子的技術已經成熟，這一方案在實驗上具備實現的可能性。

就這樣，一個“人工近藤晶格”就搭好了：電子在“跑道”上跑，遇到磁性原子就發生“屏蔽協作”，形成了獨特的量子態。

當團隊用“張量網絡”（一種能精確計算原子量子行為的數學工具）模擬這個晶格時，發現了一個“反常識現象”：當電子和磁性原子的協作強度足夠大時，在晶格的兩端邊緣，出現了一種“零能量電子態”——“拓撲零模”。

當體係無窮大時，這些拓撲零模的能量被嚴格釘紮在零點，不隨體係參數的微小變化而改變；當體係有限大時，它們的能量仍穩定地分布在零點附近。

進一步地，即使研究人員在晶格中引入“雜質”（例如改變某些位點的能量，或打亂電子的躍遷規律），這些端點零模依然穩定存在，不會被消除或移出零能量。這正是拓撲保護的標誌：零模對局部擾動不敏感，因而具有穩固性。

實驗中出現拓撲零模，理論上如何說得通呢？

近藤晶格是典型的“強關聯多體係統”（電子、自旋相互作用複雜，類似一堆纏繞的線團），直接分析其拓撲本質非常困難。傳統研究要麽回避多體效應，要麽隻能做近似計算，難以說清“拓撲零模到底從哪來”。

物理理解

為了搞懂零模的起源，團隊做了一個“理論翻譯”——把複雜的近藤晶格，轉換成兩個更簡單的模型，一下就把問題厘清了。

“這是當時最困擾糖心免费视频思路的一環，計算結果顯示是拓撲零模，糖心免费视频需要去找理論支撐，證明結論是對的。學界關於單體拓撲態的研究是比較透徹的，糖心免费视频就尋思著做一個轉化。”陳光澤提及研究過程中遇到的困難，“糖心免费视频搞理論物理的，必須回到理論中找答案。”

在“近藤晶格”裏，磁性原子（磁矩）與傳導電子的相互作用極其複雜，難以直接求解。理論上常用的一種方法，是把磁矩表示為一種叫“贗費米子”的粒子（可以直觀地理解為“帶磁性的電子”）。這樣一來，原本複雜的電子–磁矩相互作用就變成了電子–贗費米子的相互作用。進一步在平均場近似下，可以得到一個類似周期性安德森模型的有效理論：當贗費米子之間的排斥足夠強時，這個模型的物理表現與近藤晶格一致。換句話說，就像用“帶磁的小球”來近似“小磁鐵”，雖然處理方式改變了，但平均場下得到的效應與原始體係相符。

平均場的引入使得直觀的物理理解成為可能。進一步地，團隊借助“戴森方程”（一種處理粒子相互作用的工具），從周期性安德森模型得到一個性質明確的非厄米有效模型。這個模型揭示了關鍵：當電子和贗費米子的耦合強度足夠大時，體係的電子結構會進入拓撲非平庸相。簡單說，就是電子的運動軌跡形成了“特殊的閉環”，這種拓撲屬性保證了在邊界上會出現受保護的零能量模。

多體拓撲不變量的計算

光觀察到零模還不夠，得證明它是貨真價實的拓撲態，不是偶然出現的。可問題在於：在多體體係裏，要嚴格定義和計算拓撲不變量一直是難題。傳統拓撲指標大多依賴單粒子能帶，可在強關聯係統中，能帶圖像早就模糊不清了。過(guò)去(qù)研究隻能借助譜函數裏的零能信號來“間接猜測”拓撲屬性，但這種方法既不精確，也缺乏說服力——就好比看到一隻動物有翅膀，就推斷它是鳥，卻拿不出正式的“物種鑒定證書”（拓撲不變量）。

團隊提出的“關聯矩陣泵浦法”解決了這個瓶頸。它首次在強關聯近藤體係中，直接計算出了量子化的多體拓撲不變量（幾何相Φ = ±π）。真正的突破在於，他們嚴格證明了：某些多體拓撲性質完全可以由單粒子關聯矩陣來刻畫。換句話說，本來需要在龐大的多體希爾伯特空間裏定義的不變量，現在等價於在一個低維矩陣上就能算出來。

更妙的是，這個關聯矩陣的大小隻是和體係規模線性相關，而不是指數爆炸。於是，即使用相對簡單的計算方法（對角化）也能輕鬆得到拓撲不變量。利用這一方法，團隊清楚地證明：近藤晶格裏的邊界零模確實是貨真價實的拓撲態，終於為它蓋上了一枚“拓撲身份證”。

從理論研究走向器件應用

這篇文章於2024年10月2日投稿，2025年2月21日收到錄用通知，3月18日正式見刊。整個投稿審稿流程非常順利，審稿人稱"這個想法非常新穎，因為它通過將磁性雜質耦合到一維晶格的特定部分，提供了一種構築拓撲體係的新途徑。"

拓撲零模要想用於器件（如量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)），必(bì)須(xū)滿(mǎn)足(zú)在(zài)實(shí)際(jì)環(huán)境(jìng)中(zhōng)穩(wěn)定(dìng)——但(dàn)傳(chuán)統(tǒng)研(yán)究(jiū)中(zhōng)的(de)零模往往“脆弱”：要麽一遇到“材料雜質”（無序）就消失，要麽一有“能量損耗”（如局域粒子壽命有限）就破壞，很難落地應用。

那這篇論文中提到的拓撲零模穩定性(xìng)如(rú)何(hé)呢(ne)？研(yán)究(jiū)人(rén)員(yuán)通(tōng)過(guò)實(shí)驗(yàn)參(cān)數(shù)模(mó)擬(nǐ)，證(zhèng)明(míng)了(le)該(gāi)拓(tà)撲(pū)零模不僅在理論上穩定，還能在“有雜質、有損耗”的實際環境中穩定存在——這是從理論研究走向器件應用的關鍵一步，為後續設計抗幹擾的拓撲量子器件（如基於零模的量子存儲單元）提供了理論基礎。

團隊計劃進(jìn)一(yī)步(bù)探(tàn)索(suǒ)這(zhè)一(yī)新(xīn)型(xíng)拓(tà)撲(pū)係(xì)統(tǒng)在(zài)量(liàng)子(zi)計(jì)算(suàn)和(hé)量(liàng)子(zi)信(xìn)息(xi)領(lǐng)域的(de)潛(qián)在(zài)應(yīng)用(yòng)，並(bìng)與(yǔ)實(shí)驗(yàn)物(wù)理學家合作，通過掃描隧道顯微鏡等技術在範德華材料中實現人工近藤晶格，驗證理論預測。

陳光澤的求學和研究之路，如果從本科算起，經過碩、博，再到博後研究，前後輾轉了中國-瑞士-芬蘭-瑞典四個國家。等博後出站後，他更願意找機會回國發展。臉上仍帶有幾分稚氣的陳光澤說：“我(wǒ)是(shì)一(yī)個(gè)在(zài)路上(shàng)的(de)青(qīng)年(nián)人(rén)。”

陳光澤簡介：陳光澤1997年出生於四川。2013年考入中國科學技術大學少年班，2017年取得物理學學(xué)士(shì)學(xué)位(wèi)。2017年(nián)前(qián)往(wǎng)瑞(ruì)士(shì)蘇(sū)黎(lí)世(shì)聯(lián)邦理工攻讀碩士學位，2019年前往芬蘭阿爾托大學攻讀博士學位，師從JoseL.Lado教授。其研究與二維材料實驗緊密結合，研究特色在於將多體物理、拓撲結構與計算方法深度融合，探索人工量子材料中的新型激發態及其操控機製。2023年至今，在瑞典查爾姆斯理工大學擔任瑪麗·居裏博士後研究員，研究方向涵蓋拓撲量子物態、強關聯電子係統、非厄米量子物理以及開放量子係統的多體動力學。

注：本文封麵圖片來自版權圖庫，轉載使用可能引發版權糾紛。

特 別 提 示

1. 進入『返樸』微信公眾號底部菜單“精品專欄“，可查閱不同主題係列科普文章。

2. 『返樸』提(tí)供(gōng)按(àn)月(yuè)檢(jiǎn)索(suǒ)文章(zhāng)功(gōng)能(néng)。關注(zhù)公(gōng)眾(zhòng)號(hào)，回(huí)複(fù)四(sì)位(wèi)數(shù)組(zǔ)成(chéng)的(de)年(nián)份(fèn)+月(yuè)份(fèn)，如(rú)“1903”，可獲取2019年3月的文章索引，以此類推。

版權說明：歡迎個人轉發，任何形式的媒體或機構未經授權，不得轉載和摘編。轉載授權請在「返樸」微信公眾號內聯係後台。