一种基于超导体的马约拉纳零能模控制方法及装置

本发明涉及量子计算领域，尤其涉及一种基于超导体的马约拉纳零能模控制方法及装置。

背景技术：

1、随着微纳加工工艺的进步，集成电路的尺寸效应逐渐接近量子效应主导的极限，摩尔定律在经典计算机发展中逐渐失效。为解决爆炸式增长的数据量和计算需求，量子计算受到广泛关注。超导量子计算在近年来迅速发展，已达到上百个量子比特的规模，是量子计算迈向实用化最可能的候选体系之一。然而，超导量子比特易受到环境电磁噪声等的干扰，使得其退相干时间与量子门操作的保真度难以被进一步提高，当量子比特规模扩大时这一问题尤为严重。因此，将来通用的超导量子计算很可能要耗费大量的比特资源用于纠错。

2、为了应对这一问题，拓扑量子计算采用非局域的马约拉纳零能模编码量子比特，以此抑制局域环境噪声。马约拉纳费米子作为高能物理中的特殊粒子，由于马约拉纳费米子的反粒子是它本身，因此没有能量和电荷，近年来理论和实验两方面都得到了广泛的研究。研究表明，马约拉纳费米子可通过非常规超导体的边缘或拓扑缺陷形成束缚态，即马约拉纳束缚态，具有拓扑保护和非阿贝尔统计特性，因而成为拓扑容错量子计算的理想选择。

3、超导体是指化合物中含有铁，在低温时具有超导现象，且铁作为磁性杂质掺杂在其中的材料。超导体从结构上可分为四类：(1111)、(122)、(111)和(11)。在铁基材料中，由于铁原子本身属于磁性杂质，铁原子的这一特性导致其会在原子中心产生局部磁场，从而形成量子反常涡旋。量子反常涡旋区别于第二类超导体中的普通涡旋，量子反常涡旋的优点是不需要对超导体施加额外的磁场。针对这一特性，可以大大抑制环境电磁的干扰，使得该材料为拓扑量子计算的理想材料。这个量子反常涡旋会在超导体表面形成拓扑缺陷，在这个拓扑缺陷中往往会存在ysr束缚态和马约拉纳束缚态，而马约拉纳束缚态通常存在于铁原子中心的位置。实现对马约拉纳束缚态的控制是拓扑量子计算的重要途径。

4、扫描隧道显微镜是一个通过探测扫描探针和样品之间的量子隧穿电流来分辨固体表面形貌特征的显微装置。其基本的工作原理是量子力学中的量子隧穿效应。对于经典物理学来说，当一个粒子的能量e低于前方的势垒高度u时，它不可能越过此势垒。但根据量子力学的原理，由于粒子存在波动性，当一个粒子处在一个势垒之中时，即使粒子的能量低于势垒的高度，粒子越过势垒出现在另一边的几率不为零，这种现象称为量子隧穿效应。通过量子隧穿效应，扫描隧道显微镜可以清晰的地观测到原子在物质表面的排列状态并研究与表面电子行为有关的物理化学性质，对物理科学、表面科学、材料科学、生命科学以及微电子技术的研究有着十分重大的意义和重要应用价值。在1993年eigler等研究人员利用原子操纵的方法将吸附在cu(111)表面上48个fe原子逐个移动并排列成一圆形量子栅栏结构。这是人类首次直接用原子组成具有特定功能的人工结构。为研究人员探索物质的基本性质，构建具有新功能的量子器件开辟了一个全新的途径。

5、在中国专利申请cn110880039a中公开了一种用电场控制马约拉纳零能模移动的方法，采用磁电层构建由电场控制的局域磁场阵列，通过移动磁场实现马约拉纳零能模移动以及编织操作。但该专利方案由于是磁电控制，对量子比特的干扰较大。在量子门保真度上仍存在较大的问题。

技术实现思路

1、本发明为克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于超导体的马约拉纳零能模控制方法及装置，能够提高马约拉纳零能模的控制精度和效率。

2、本发明一实施例提供一种基于超导体的马约拉纳零能模控制方法，包括如下步骤：

3、通过扫描隧道显微镜确定超导体中磁性杂质原子的位置，并移动所述扫描隧道显微镜的探针至所述磁性杂质原子的上方；

4、通过所述探针控制所述磁性杂质原子移动至预设目标位置，完成对马约拉纳零能模的控制。

5、进一步的，所述通过扫描隧道显微镜确定超导体中磁性杂质原子的位置，具体包括：

6、通过所述扫描隧道显微镜对所述超导体进行形貌扫描，得到所述超导体的形貌图；其中，所述形貌图中包括所述超导体表面各原子的位置信息；

7、根据所述形貌图确定所述磁性杂质原子的物理位置。

8、优选的，在所述移动所述扫描隧道显微镜的探针至所述磁性杂质原子的上方后，还包括：

9、通过所述扫描隧道显微镜的微动系统移动所述探针，以使所述探针的中轴线与所述磁性杂质原子的中心同轴。

10、进一步的，所述通过所述探针控制所述磁性杂质原子移动至预设目标位置，具体包括：

11、加大所述扫描隧道显微镜的隧穿电流至预设电流阈值，以使所述探针与所述磁性杂质原子之间的相互作用力大于预设吸引阈值；

12、通过所述相互作用力使所述磁性杂质原子跟随所述探针进行移动，直至所述磁性杂质原子移动至所述预设目标位置。

13、优选的，所述相互作用力包括范德华力和静电力。

14、进一步的，在将所述磁性杂质原子移动至预设目标位置后，还包括：

15、减小所述隧穿电流，同时上移所述探针，直至所述相互作用力小于所述预设吸引阈值。

16、本发明另一实施例提供一种基于超导体的马约拉纳零能模控制装置，包括：位置确认模块以及移动模块；

17、所述位置确认模块用于通过扫描隧道显微镜确定超导体中磁性杂质原子的位置，并移动所述扫描隧道显微镜的探针至所述磁性杂质原子的上方；

18、所述移动模块用于通过所述探针控制所述磁性杂质原子移动至预设目标位置，完成对马约拉纳零能模的控制。

19、进一步的，所述位置确认模块用于通过扫描隧道显微镜确定超导体中磁性杂质原子的位置，具体包括：

20、通过所述扫描隧道显微镜对所述超导体进行形貌扫描，确定所述超导体中磁性杂质原子的物理位置。

21、进一步的，在所述移动所述扫描隧道显微镜的探针至所述磁性杂质原子的上方后，还包括：

22、通过所述扫描隧道显微镜的微动系统移动所述探针，以使所述探针的中轴线与所述磁性杂质原子的中心同轴。

23、进一步的，所述移动模块用于通过所述探针控制所述磁性杂质原子移动至预设目标位置，具体包括：

24、加大所述扫描隧道显微镜的隧穿电流至预设电流阈值，以使所述探针与所述磁性杂质原子之间的相互作用力大于预设吸引阈值；其中，所述相互作用力包括范德华力和静电力；

25、通过所述相互作用力使所述磁性杂质原子跟随所述探针进行移动，直至所述磁性杂质原子移动至所述预设目标位置。

26、相较于现有技术，本发明的有益效果在于：

27、本发明提供的方法通过扫描隧道显微镜对超导体中磁性杂质原子的移动实现了对马约拉纳零能模的位置控制。该方法无需引入外部磁场，且操作简便，相比现有技术实现了更高效、更精准的马约拉纳零能模控制，对拓扑量子计算领域具有重要意义，为实现拓扑量子计算提供了新的途径。

技术特征：

1.一种基于超导体的马约拉纳零能模控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的基于超导体的马约拉纳零能模控制方法，其特征在于，所述通过扫描隧道显微镜确定超导体中磁性杂质原子的位置，具体包括：

3.如权利要求1所述的基于超导体的马约拉纳零能模控制方法，其特征在于，在所述移动所述扫描隧道显微镜的探针至所述磁性杂质原子的上方后，还包括：

4.如权利要求1所述的基于超导体的马约拉纳零能模控制方法，其特征在于，所述通过所述探针控制所述磁性杂质原子移动至预设目标位置，具体包括：

5.如权利要求4所述的基于超导体的马约拉纳零能模控制方法，其特征在于，所述相互作用力包括范德华力和静电力。

6.如权利要求4所述的基于超导体的马约拉纳零能模控制方法，其特征在于，在将所述磁性杂质原子移动至预设目标位置后，还包括：

7.一种基于超导体的马约拉纳零能模控制装置，其特征在于，包括：位置确认模块以及移动模块；

8.如权利要求7所述的基于超导体的马约拉纳零能模控制装置，其特征在于，所述位置确认模块用于通过扫描隧道显微镜确定超导体中磁性杂质原子的位置，具体包括：

9.如权利要求7所述的基于超导体的马约拉纳零能模控制装置，其特征在于，在所述移动所述扫描隧道显微镜的探针至所述磁性杂质原子的上方后，还包括：

10.如权利要求7所述的基于超导体的马约拉纳零能模控制装置，其特征在于，所述移动模块用于通过所述探针控制所述磁性杂质原子移动至预设目标位置，具体包括：

技术总结本发明公开一种基于超导体的马约拉纳零能模控制方法及装置，所述方法包括如下步骤：通过扫描隧道显微镜确定超导体中磁性杂质原子的位置，并移动所述扫描隧道显微镜的探针至所述磁性杂质原子的上方；通过所述探针控制所述磁性杂质原子移动至预设目标位置，完成对马约拉纳零能模的控制。本发明能够提高马约拉纳零能模的控制精度和效率。技术研发人员：黄颖怡,练冠麟,翟皓廷,张欣,罗丽,彭洁彬,龙慧,姚源卫,林志萍,吴福根受保护的技术使用者：广东工业大学技术研发日：技术公布日：2024/7/18