【未来科学】量子计算机的希望，拓扑材料和拓扑绝缘体

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精华笔记

拓扑材料是凝聚态中一个特别的研究方向，也是量子计算的关键环节。

一、量子霍尔效应

1. 在量子霍尔效应中，霍尔电阻的大小不仅是量子化的，而且跟材料的具体细节关系不大，这正是拓扑材料具备的性质；

2. 拓扑学是几何学的一个分支，它不关心一个物体的具体形状，而只关心其中的连接方式。拓扑结构的特点是对细微的扰动不敏感、非常稳定；

几种不同的拓扑结构

3. 量子霍尔效应下的霍尔电阻就具备类似的性质，它的大小跟材料的形状、纯度、密度等因素的关系不大；

二、拓扑绝缘体

4. 量子霍尔效应的导电方式跟普通的导体不同，只在金属板的边缘导电，而金属板中间的电子在强磁场的作用下原地转圈，是不参与导电的；

强磁场下霍尔金属片当中电子的运动形态

5. 拓扑绝缘体是一种新型材料，包含两个子结构，可以理解为两个量子霍尔效应拼在一起；

拓扑绝缘体中的子结构

6. 拓扑绝缘体这种材料的内部非常特殊，电子原地运动会产生局部磁场，就好像外加了一个磁场一样。而两个子结构产生的内部磁场方向相反，宏观上表现为这种材料不用加外磁场也可以有边缘导电的效果，并且这种导电性也是量子化的；

三、量子计算机的材料

7. 上世纪80年代费曼就提出了量子计算机的概念，但是到现在还无法实现，因为量子计算机对微扰太敏感；

8. 量子计算系统的错误率随着温度的上升呈指数增长。并且量子系统的误差具有随机性，一旦产生很难对其进行修正；

9. 拓扑材料稳定、抗干扰的特点令它成为制作量子计算机的理想材料。根据实验，量子霍尔效应就可以把误差控制在1/10^(-18)这么小的范围内。