目前量子电脑的开发经常使用一些无法为大众市场实现商用化的特殊材料，包括从超冷超导体到利用雷射脉冲将气体离子充满电晶体等。如今，这一切即将发生改变。

　　根据美国麻省理工学院(MIT)的研究人员发现，结合铁磁体和拓扑绝缘体这两种低成本且来源丰富的固态材料，可望打造以模拟电晶体方式开关量子位元的量子高速公路。

　　“铁磁性可在块状(bulk)能隙带开启微小间隙，改变拓扑绝缘体的电子结构，”在MIT教授Ju Li实验室工作的博士后研究员Cui-zu Chang表示：“此外，它还达到所谓‘量子反常霍尔状态’(quantum anomalous Hall state)的量子相变，其中耗散较少的对掌型导电通道开口恰好位于零磁场的样本边缘。”

　　其结果是，在铁磁材料和拓扑绝缘体介面的这些特性可能就是制造“完美量子开关”的关键——以相对较低廉的材料打造以及仅需少量的能源操作，实现无摩擦的量子位元传输。

　　在图中显示的层叠结构中，黄色球体代表碲原子；淡蓝色球体代表锑-铋；紫色球体代表硫。带箭号的黑色球体代表掺杂原子；带箭号的绿色球体显示铕原子。各色箭号表示不同的互动——在Heisenberg平面的互动(橘色)、超交换平面之间的互动(绿色)以及在拓扑绝缘表面(蓝色)的自旋极化状态。

　　“多年来，我们研究了与此相关的各种课题——仅在表面/介面建立磁性——其中最迷人的现象就是磁绝缘体与超导体的近接感应交流耦合。这种方式可在介面产生极大的磁场(比地球磁场强度更大数十到数百万倍Tesla)。”MIT资深科学家Jagadeesh Moodera表示，“由于拓扑绝缘体表面发挥最重要的作用，很显然地，在本地施加这么巨大的内部磁场影响其重要之处，也不至于明显干扰材料的其他部份。相反地，这种介面域还开启了表面能隙带所需的交换间隙，带来许多新颖的量子现象，而无需使用非常昂贵且耗费大量能源的外部磁力。”

　　结合这两种材料，使得开关“量子位元”的奥妙以及像“超导体”般的行为成为可能，为进一步的研究带来了希望，揭示如何回避至今研究人员针对这两种现象所使用的暴力途径。或许无需使用昂贵材料或高成本操作方式，就能实现相同的结果。

　　自旋极化中子光束(红色球体)入射于样本上，共同采集自旋元件(红色和蓝色球体)。

　　“现在我们可以自由地操纵介面附近的磁序。小型间隙开口将使得拓扑绝缘体表面的电子状态表现得像半导体一样，因而能够用于半导体产业，”Chang解释：“尽管用于量子电脑，利用邻近效应操纵电子状态，可能导致所谓“马约拉费米子”(majorana fermions)的纠结电子状态，可用于量子位元，打造量子电脑的建构模组结构。

　　“马约拉费米子”是由义大利物理学家埃托雷·马约拉纳(Ettore Majorana)在1937年所提出的假设——每一种新的粒子就是本身的反粒子。“马约拉费米子”被假定为以准粒子激发的形式存在于超导体中，从而开启了量子位元沿着拓扑绝缘体表面形成无摩擦传导的可能性。

　　后续还需要更多的研究才能证实这些结果，以及实际建构出超导量子电晶体。然而，MIT的11位研究人员们(包括美国国家标准技术研究所、布鲁克海文国家实验室、东北大学与波士顿学院的科学家)并不担心未来所面临的挑战。事实上，为了能够尽快圆梦，他们已经展开下一阶段的研究了。

　　“接下来的步骤有两个方面，一个是基础研究：我们想用这种磁性来创造其他的新磁序，例如2D自旋液体，它对于解释高温超导体可能十分有帮助，”Chang说，“另一方面是应用。我们正试着为日常生活的应用提升在室温下的效果。”

　　这种“邻近磁性”效果，以及它所开启的微小能隙，产生了建构量子电晶体所需的特性，使其得以开关量子位元沿拓扑绝缘体的表面流动的自旋编码。根据该校博士候选人Mingda Li表示，这些由拓扑绝缘体所激励的新结构可能成为未来量子电脑的建构模组。

　　这项研究由美国国家科学基金会(NSF)、海军研究办公室以及能源部赞助。