摘要：德国科隆大学的物理学家干了一件大事，他们在拓扑绝缘体（TI）纳米线里，首次观察到了长程交叉安德烈夫反射（CAR）。这意味着，在拓扑量子计算的路上，最关键的一步——让超导态和拓扑材料“深度结合”——正在逐渐变为现实。

德国科隆大学的物理学家干了一件大事，他们在拓扑绝缘体（TI）纳米线里，首次观察到了长程交叉安德烈夫反射（CAR）。这意味着，在拓扑量子计算的路上，最关键的一步——让超导态和拓扑材料“深度结合”——正在逐渐变为现实。

什么是CAR？简单来说，这是一个神奇的量子效应。一个电子从纳米线的一端打入，却和另一端的电子配对，形成一个超导库珀对。这不是普通的局域安德烈夫反射，而是远程的非局域效应。 这意味着超导相关性能够“穿透”材料，而不仅仅局限在接触界面附近。这在实验上，从未在拓扑绝缘体纳米线中被观察到。

过去，量子计算的一个关键瓶颈就是量子比特（qubit）的稳定性。传统的量子计算方案，如超导量子比特、离子阱等，都在误差修正上碰壁。量子系统极易受到外部环境的干扰，信息随时可能丢失。 这就是为什么科学家们一直在寻找更稳定的量子比特方案。拓扑量子计算的核心思路是利用马约拉纳零能模（Majorana zero-modes, MZMs） 来存储信息，这种奇异的量子态天生对局部干扰不敏感，是“天然的容错量子比特”。

但问题是，怎么稳定地制造和控制Majorana零能模？

实验观察，一直是个麻烦。

理论上，拓扑超导体能提供理想的环境来稳定MZMs。然而，直接找到天然的拓扑超导体极其困难。于是科学家们另辟蹊径，想办法通过“异质结合”——让普通的超导体和拓扑材料结合，来人为制造拓扑超导态。这听起来很简单，但实验上各种噪声、杂质、界面缺陷，往往让这些“人造拓扑超导体”失去真正的拓扑特性。

早期的实验尝试主要集中在半导体纳米线+超导体的结构上，比如InSb（锑化铟）纳米线，但实验结果始终争议不断。有人说看到了MZMs的信号，有人说是伪信号。量子计算的未来，仿佛被锁死在了实验重复性的问题上。

现在，拓扑绝缘体纳米线成了新希望。

拓扑绝缘体本身就有强烈的拓扑保护态，而纳米线结构可以更容易地控制这些态的行为。科隆大学的研究团队选择了Nb（铌）作为超导体，并用一种新方法——从高质量拓扑绝缘体薄片直接刻蚀纳米线，确保了材料的纯净度和界面质量。这一改进，让他们终于在实验中清晰地观察到了长程交叉安德烈夫反射。

为什么这个发现至关重要？

第一，这是直接证据，证明拓扑超导相关性可以在TI纳米线上非局域地传播。这就意味着，未来我们可以利用这种体系来构建真正的拓扑量子比特。

第二，这极大地提升了MZMs的可控性。之前，在半导体纳米线上寻找MZMs，总是受限于材料质量和外部噪声。而TI纳米线本身就是拓扑材料，与超导体结合后，更容易维持拓扑超导态。

第三，这打开了一条新路线。很多过去只能用半导体纳米线做的实验，现在可以在TI纳米线中完成，甚至效果更好。这将改变未来量子计算硬件的设计思路。

当然，挑战仍然存在。

科学家们接下来的目标，是直接观测和控制MZMs的行为。仅仅证明CAR效应存在还不够，他们需要找到更直接的Majorana模式证据，并进一步提升器件的可控性。如果这一目标能达成，拓扑量子计算将从“理论可行”真正迈向“实验可行”。

至此，局势正在发生微妙的变化。

过去，量子计算的硬件竞争主要是谷歌、IBM的超导量子比特，以及微软等公司押注的拓扑量子计算。但微软的方案一直停留在理论阶段，没有真正的实验突破。而这一新研究，正在填补这个空白。

更重要的是，这不是一项孤立的研究。科隆大学团队背后，有德国“ML4Q卓越集群”（Matter and Light for Quantum Computing）的强力支持。他们不仅有顶尖的实验团队，还有来自瑞士巴塞尔大学的理论支持。这种“实验+理论”双驱动模式，极大加快了研究进展。

换句话说，拓扑量子计算的赛道，正在真正变宽。

IBM和谷歌押宝的是超导量子计算，虽然进展迅猛，但误差问题始终无法解决。而微软的拓扑方案过去进展缓慢，如今，欧洲学术界正在用实验数据让拓扑量子计算变得更可行。 未来，TI纳米线+超导体的方案，有可能在这场竞赛中异军突起。

来源：老胡科学