拓扑量子计算利用拓扑物态的拓扑保护性质，通过将量子信息编码到非局域的非阿贝尔任意子上，从而对局域噪声的干扰不敏感。这种机制使其具有极强的抗退相干能力，亦即意味着错误率可以显著低于其他量子计算体系。因此，拓扑量子计算体系被认为是实现容错量子计算的最具潜力的物理载体，受到学术界的广泛关注。而在众多类型的非阿贝尔任意子中，又以马约拉纳零能模（Majorana zero mode，MZM）被认为是最有希望制备成功的非阿贝尔任意子。
近年来，随着材料生长和微纳器件加工技术的不断进步，多个材料器件体系采用不同的表征手段探测到MZM存在的间接实验证据[1]-[8]。然而，关键的决定性证据仍是MZM的非阿贝尔统计特性，这也是拓扑量子计算实现逻辑门的物理机制。目前，还没有关于MZM的非阿贝尔统计特性的直接实验报道，其关键瓶颈之一在于现有的实验体系均未能实现对MZM的高保真的编织操作。尤其是对于二维拓扑超导体系而言，由于其无法直接使用电压调控化学势，如何操控其涡旋中的零能模一直没有有效方案[9]-[11]。因此，探索一套实用的编织方案尤为关键，这不仅是证明MZM存在的关键一环，更是进行拓扑量子计算的重要手段。
近日，国防科技大学团队在Science China-Physics, Mechanics & Astronomy上发表封面文章“Scheme for braiding Majorana zero modes in vortices using STT-matrix”。该研究聚焦于二维拓扑超导体系，提出了一种基于自旋电子学器件（例如自旋转移力矩器件spin-transfer-torque，STT）的马约拉纳零能模的编织新方案。该方案将现场可编程STT阵列作为控制层集成在拓扑超导层上，利用STT器件产生的局域杂散磁场对二维拓扑超导中的涡旋进行操控，进而实现了对束缚于涡旋中的马约拉纳零能模的驱动、编织和融合操作。
为验证该方案的可行性，研究团队构建了一套全面的数值模拟框架。该模拟框架涵盖了有限元分析、描述涡旋动力学演化的含时金兹堡-朗道（Time-Dependent Ginzburg-Landau，TDGL）理论，以及分析MZM量子态的编织动力学演化的含时博戈留波夫-德让纳（Bogoliubov-de Gennes，BdG）方程。在完成器件的结构设计与建模后，研究人员便可以对单个STT器件、STT对单个涡旋的驱动能力以及MZM在编织过程中的演化动力学进行分析。
STT-MZM编织方案的示意图：拓扑超导中的涡旋可以被单个STT器件的局域杂散磁场所驱动、拖拽。
研究团队首先通过对含时金兹堡-朗道（TDGL）方程的数值求解，展示了STT器件驱动涡旋的能力，直观地显示出涡旋在两个STT之间的运动过程。
由STT局域磁场诱导的涡旋动力学模拟结果
在此基础上，以四个MZM作为研究对象，施加编织操作Bx=b2b2（该操作对应量子计算中的非门）。通过求解整个编织过程的含时BdG方程，得到了MZM在编织过程中的绝热演化动力学。为了定量表征保真度，研究引入了态转移概率P（即编织过程中投影到特定目标态的概率）以及MZM空间概率PMZM（即编织过程中留在MZM子空间的概率）作为保真度指标。数值模拟结果显示，该STT阵列编织方案具备高度的可调控性，可以通过优化STT的间距Ls（对应于MZM演化的绝热程度）和涡旋间的距离Lv（对应于MZM之间的波函数杂化），能够实现高保真度的MZM编织过程。
STT阵列控制下的编织动力学模拟结果
该研究提出的集成STT阵列的拓扑超导器件，为操纵涡旋态拓扑超导体系构建了一个通用、可扩展且实用的实验平台。基于此平台的MZM编织方案，有望突破当前拓扑量子计算操控的瓶颈。下一步团队计划拓展该方案的深度与广度，致力于提出一整套系统化实用化且适配于二维涡旋拓扑超导系统的拓扑量子计算方案，并将与国内外实验团队推进实践检验。
该工作由国防科技大学计算机学院黄光耀助理研究员和博士生付济邦为共同第一作者，国防科技大学计算机学院张鑫方和邓明堂为共同通讯作者。
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G-Y Huang, J-B Fu, X-F Yi, W-C Wang, B Ren, Z-H Yang, S-C Xue, X-F Zhang, M-T Deng. Scheme for braiding Majorana zero modes in vortices using STT-matrix. Sci. China-Phys. Mech. Astron. 69, 247411 (2026).
https://doi.org/10.1007/s11433-025-2797-y
