2026年5月13日——到目前为止，超导体中的涡旋一直被视为一种干扰，因为它们会削弱超导性能。现在，卡尔斯鲁厄理工学院的研究人员通过实验证明，在某些材料中，磁涡旋可以用作可控的量子系统。这意味着一种此前不受欢迎的现象正成为量子技术中的潜在资源，为量子计算机、高灵敏度传感器系统以及材料研究中的创新方法开辟了新的途径。相关结果已发表在《自然》杂志上。

超导体是某些条件下能以零电阻导电、完全排斥磁场的材料。然而，一旦磁通量超过临界阈值，磁场就会以微小的量子化涡旋形式穿透到材料内部。这种涡旋迄今被视为不受欢迎的干扰因素，因为它们会产生耗能效应，限制超导系统的效率。

材料结构催生量子效应

由卡尔斯鲁厄理工学院量子材料与技术研究所的Ioan M. Pop教授领导的研究团队进行的这项研究，记录了超导体中磁涡旋的一种全新行为。研究人员研究了由接近超导体-绝缘体转变的颗粒铝层制成的强无序超导薄膜。在这种材料中，涡旋失去了破坏性，形成了稳定的低损耗态，这些态可以用量子力学来描述。

从物理角度看，这种效应源于材料的特殊结构：颗粒铝由纳米级的超导岛组成，这些岛被非超导区域隔开。这种结构形成了一个复杂的能量景观，其中存在局部极小值，涡旋可以通过量子隧穿在这些极小值之间来回移动。基于这些稳定的两能级系统，所观测到的量子态得以发展。

从干扰因素到量子比特

"对我们来说，这是一个令人兴奋的发现，因为它既揭示了新的基本量子行为，也具有对量子技术的潜在意义，"来自IQMT的Ameya Nambisan表示。"我们的结果表明，涡旋不仅是可控的，而且其行为就像具有两个清晰可区分状态的人造原子，"IQMT的Simon Günzler博士说。

"因此，它们满足了在量子技术中用作量子比特的关键要求，"Pop补充道。"这项研究的另一个成果是，在有利条件下，即使是长期被视为干扰的现象，也能成为宝贵的资源。这为未来量子系统的设计开辟了全新的前景。"

研究人员不仅识别出了这些涡旋量子比特，还利用微波测量和量子电动力学方法，成功地对其进行特定操控和读出。所测量的相干时间和弛豫时间在微秒范围内，因此与已知的超导量子比特系统相当。这使涡旋量子比特在当今量子技术的应用中稳居最杰出候选者之列。

技术与研究的新前景

从长远来看，这些系统可以作为新颖的量子比特使用，它们无需人工合成，而是利用材料固有特性的结果。除了在量子信息技术中的潜在应用外，还可以采取新的方法对复杂材料进行实验研究。这包括未来将涡旋量子比特用作高灵敏度探针，以精确分析超导体中的微观特性。

"尽管关于涡旋量子比特的技术实现和可扩展性仍存在开放性问题，但我们的研究清楚地表明，在物理学中，即使是以前被认为不受欢迎的现象，也能成为量子力学的有用资源，"Pop说。超导涡旋是展现未来技术新途径的一个典范。

这项研究是与安特卫普大学和乌尔姆大学的研究人员合作进行的。