量子计算机的计算速度比传统计算机快得多，但它有一个大问题：它们很容易出现数据存储和处理错误，这些错误是由来自环境的干扰造成的，比如来自温暖物体的振动和辐射。由新加坡科学家领导的一个研究项目就如何在极低温度下控制电子进行的一项发现，为解决这一问题提供了一种方法，并开发出更强大、更精确的量子计算机。

现在，科学家们证明在某些条件下，电子之间可以有很强的相互作用。这些相互作用以前仅在理论模型中预测，在接近外层空间寒冷的超低温下，在一种原子薄且电绝缘材料的边缘观察到。由新加坡领导的研究小组证实，低温下的相互作用会导致电子像液体一样流动。这意味着电子倾向于沿着一条线集体移动，而不是在不同方向上单独或随意移动。在研究人员的实验中，扫描隧道显微镜的原子尖端探测到了“电子液体”中的波纹。

让电子“排成一条直线”，以适应这种被称为螺旋托莫纳加卢廷格液体的特殊物质状态，是物理学家认为对于让电子聚集在一起形成一个称为副费米子的粒子至关重要的关键因素之一。除了这种特殊的物质状态之外，还需要另一个副费米子形成的关键因素，这一因素在更低的温度下起作用：超导性。这种特性指的是在不损失能量的情况下导电的能力，可以在某些材料中找到。

创造副费米子是科学家们非常追求的目标，因为据预测，这些粒子将有助于量子计算机以比现在更强大的方式存储信息。量子计算机可以在几分钟内解决一个复杂的数学问题，而目前最先进的超级计算机都需要几万年的时间。目前，量子计算机通过在接近绝对零度或-摄氏度的超低温下操纵电子或光来存储信息。但是，量子计算机中存储的数据很容易受到环境干扰的破坏，包括振动、来自温暖物体的辐射或电场的变化。

然而，副费米子被认为对这种扰动更具抵抗力，因为形成副费米子的电子之间的相互作用以及它们在材料中的运动方式使它们更稳定。如果副费米子被用来在量子计算机中存储信息，那么量子计算机就不容易出错。在这项最新研究中，科学家们在扫描隧道显微镜下观察了电子的行为。这是通过将一种特殊类型的非常薄的电绝缘材料的边缘难以置信地靠近显微镜极其锋利的金属尖端来实现的。两者之间的距离只有一纳米或更小，甚至比一簇DNA还要小。

科学家们使用的绝缘材料包括在石墨或石墨烯衬底上生长的一原子厚的化合物二碲化钨晶体。这类材料看起来几乎是二维的，被归类为量子自旋霍尔绝缘体，其内部是电绝缘的，但沿材料边缘有电子。然后科学家们从显微镜上施加电流，观察电子，同时将实验温度保持在4.5开尔文或-摄氏度左右。这是接近绝对零度的温度，在这个温度下，粒子速度减慢到几乎完全停止运动。通常，电子相互排斥，因为它们都带负电，并且倾向于以类似气体的方式表现，而不是典型地聚集在一起。但随着温度的下降，电子的运动会变慢。

在足够低的温度下，电子之间的强烈排斥会使粒子表现得像液体一样。相互作用强度的度量是一个称为Luttinger参数的值。当这个参数为1时，电子之间的相互作用最弱。“当卢廷格参数小于0.5时，相互作用很强，电子被迫集体运动，这是预测副费米子存在的最好方法。”使用不同的基底，如石墨烯或石墨，并检查材料的不同边缘，科学家们能够确定非常低的Luttinger参数，该参数可以控制在0.21至0.33的范围内。

“扫描隧道光谱是在4.5开尔文的温度下进行的，我们需要在不到30纳米的范围内定位特征，测试的量子自旋霍尔绝缘体的边缘只有2纳米厚。”用显微镜以这样的距离探测材料表面，而不丢失在温度变化中观察到的光斑的轨迹，这是非常具有挑战性的。在未来，我们最大的挑战之一将是移动到更低的温度，这是观察副费米子所必需的。为此，我们需要更先进的实验室和设备。”来自新加坡科学家们解释说。