人類距離拓?fù)淞孔佑?jì)算更近了一步

國際物理學(xué)界追尋正反同體的馬約拉納費(fèi)米子已有80多年，近日，它的魅影出現(xiàn)在鐵基超導(dǎo)體上。這意味著，人類距離拓?fù)淞孔佑?jì)算更近了一步。

今天上午，中國科學(xué)院召開新聞發(fā)布會(huì)，宣布中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心在兩***立的He-3極低溫度強(qiáng)磁場(chǎng)掃描隧道顯微鏡上，通過對(duì)大量樣品進(jìn)行上百次He-3低溫測(cè)量，成功在FeTe0.55Se0.45單晶的磁通渦旋中實(shí)現(xiàn)了零能馬約拉納束縛態(tài)的大量重復(fù)觀測(cè)。相關(guān)論文發(fā)表在當(dāng)天凌晨的世界頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）上。

圖：科學(xué)家 丁洪

主導(dǎo)此項(xiàng)研究的北京凝聚態(tài)國家實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家丁洪表示，這是國際上首次利用單一材料，在比其他復(fù)合材料都要高的工作溫度中觀測(cè)到了更純的馬約拉納費(fèi)米子模。目前，丁洪團(tuán)隊(duì)正在嘗試?yán)眠@種準(zhǔn)粒子編織拓?fù)淞孔颖忍?，一旦成功，拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)將走向現(xiàn)實(shí)，無疑是諾獎(jiǎng)級(jí)別的成果。

那么，什么是馬約拉納費(fèi)米子模？“準(zhǔn)粒子”與“粒子”有何區(qū)別？它們與量子計(jì)算又有什么關(guān)系？

正反同體的神秘粒子

物理學(xué)領(lǐng)域的基本粒子分為兩種：費(fèi)米子和玻色子，分別以美國物理學(xué)家費(fèi)米和印度物理學(xué)家玻色的名字命名。費(fèi)米子包含電子、夸克等我們熟悉的粒子。

1928年，物理學(xué)家保羅·狄拉克（Paul Dirac）做出了一個(gè)驚人的預(yù)測(cè)：宇宙中的每個(gè)基本粒子都有一個(gè)與其對(duì)應(yīng)的反粒子——電荷相反的“雙胞胎”。當(dāng)粒子與反粒子相遇時(shí)，它們會(huì)湮滅，同時(shí)釋放出一股能量。

1937年，意大利天才物理學(xué)家埃托雷·馬約拉納（Ettore Majorana）在他的論文中提供了另一種預(yù)測(cè)：應(yīng)該有一些費(fèi)米子，自己就是自己的反粒子，并可以用一個(gè)波動(dòng)方程來描述。

值得一提的是，馬約拉納預(yù)測(cè)之后悄然失蹤，給這一預(yù)言增添了神秘色彩。隨后，人類踏上了尋找這一神奇粒子的漫長過程。

著名華裔物理學(xué)家、美國斯坦福大學(xué)教授張首晟給馬約拉納費(fèi)米子起了個(gè)別名叫“天使粒子”，靈感來源于丹·布朗的小說及其電影《天使與魔鬼》。“這部作品描述了正反粒子湮滅爆炸的場(chǎng)景。過去我們認(rèn)為有粒子必有其反粒子，正如有天使必有魔鬼。但今天，我們找到了一個(gè)沒有反粒子的粒子，一個(gè)只有天使，沒有魔鬼的完美世界。”

“附身”在固體材料上的粒子魅影

在粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型中，中微子一直是馬約拉納費(fèi)米子的“最佳嫌疑人”。不過，證明這一點(diǎn)需要進(jìn)行無中微子的beta雙衰變實(shí)驗(yàn)，人類暫時(shí)還沒有能力達(dá)到相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)精度。因此，一些科學(xué)家將目光轉(zhuǎn)向了凝聚態(tài)物理。

凝聚態(tài)物理學(xué)研究的是由大量粒子組成的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)，一般無法直接觀測(cè)到單個(gè)粒子。不過，固體材料（比如金屬、非金屬、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體）內(nèi)部的自由電子，在何時(shí)的磁場(chǎng)、壓力、溫度等外部條件下，會(huì)產(chǎn)生特定的集體活動(dòng)趨勢(shì)，仿佛是一個(gè)虛擬粒子。

這些“準(zhǔn)粒子”，在合適的環(huán)境條件會(huì)表現(xiàn)出和真實(shí)粒子一樣的物理規(guī)律，只是“附身”在固體材料上，可以視作粒子投射其上的魅影。

凝聚態(tài)科學(xué)家們要做的，就是尋找合適的固體材料和合適的環(huán)境條件，“創(chuàng)造”出馬約拉納費(fèi)米子的影子，即馬約拉納費(fèi)米子模。

單一材料，更高溫度

2016年6月，上海交通大學(xué)賈金鋒教授及其合作者在國際頂級(jí)物理學(xué)刊物《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）在線發(fā)表論文指出，他們通過巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)率先觀測(cè)到了在渦旋中的馬約拉納費(fèi)米子的蹤跡。

2017年7月，張首晟、何慶林、寇煦豐、王康隆等4位華人科學(xué)家組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》上發(fā)表論文，他們?cè)诹孔臃闯；魻栃?yīng)薄膜和普通超導(dǎo)體薄膜組成的混合器件中觀測(cè)到了半整數(shù)量子電導(dǎo)平臺(tái)，為手性馬約拉那費(fèi)米子的存在提供了有力的印證。

不過，此前的成果都是在比較復(fù)雜的固體材料中找到馬約拉納費(fèi)米子模，需要在非常低的溫度下工作，因此需要大量昂貴的液氦。這次，丁洪利用一種新型的鐵基超導(dǎo)體，在單一材料上就創(chuàng)造出了馬約拉納費(fèi)米子模，提高了工作溫度。并且，最終得到的馬約拉納費(fèi)米子模是國際上最為純粹的。

“編織”拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)

這種正反同體的“天使粒子”，可能正是量子計(jì)算機(jī)需要的點(diǎn)睛之筆。目前，各大科技巨頭在量子計(jì)算上紛紛投入了“軍備競賽”級(jí)別的研發(fā)和資金力量。

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)運(yùn)用要么是“0”，要么是“1”的二進(jìn)制比特進(jìn)行計(jì)算，量子計(jì)算機(jī)使用的量子比特則可以同時(shí)是“0”或“1”。理論上，10個(gè)量子比特可以平行計(jì)算2的10次方次。學(xué)界主流預(yù)測(cè)，50個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)就可以在特定問題上超過世界上最強(qiáng)大的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”。

IBM最近完成了50比特原型機(jī)，谷歌也于年初發(fā)布了研制高質(zhì)量72比特量子計(jì)算機(jī)的計(jì)劃，微軟卻另辟蹊徑：他們目前一個(gè)量子比特也沒公布，但宣稱一旦找到一個(gè)拓?fù)淞孔颖忍?，就?huì)比1000個(gè)嘈雜的量子比特更強(qiáng)大。

微軟重金押注的拓?fù)淞孔颖忍?，正是馬約拉納費(fèi)米子。

原來，量子計(jì)算不是個(gè)簡單的比誰比特?cái)?shù)多的問題，量子比特的質(zhì)量同樣重要。然而，量子比特的狀態(tài)是非常脆弱的，甚至觀測(cè)本身就會(huì)破壞它們。

而拓?fù)涔腆w材料可以提供獨(dú)特的穩(wěn)定環(huán)境，幫助囚禁其中的量子比特對(duì)抗擾動(dòng)。所謂拓?fù)?，直觀上就是幾何上的不變性：有些系統(tǒng)，不管其中的個(gè)體怎么變化，有一些性質(zhì)在整體上是不變的。放在拓?fù)淞孔佑?jì)算這個(gè)例子上，科學(xué)家們就構(gòu)想像編辮子一樣編織固體材料中的馬約拉納費(fèi)米子模，構(gòu)建一種特殊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，自身能守住某種整體性質(zhì)，容錯(cuò)能力強(qiáng)大。只要外界干擾不是特別大，拓?fù)湎到y(tǒng)中的量子比特就能持續(xù)正常計(jì)算。

丁洪表示，自去年在鐵基超導(dǎo)體中找到了零能馬約拉納束縛態(tài)，團(tuán)隊(duì)就在嘗試進(jìn)一步編織拓?fù)淞孔佑?jì)算系統(tǒng)。

丁洪，湖南長沙人，1995年在美國伊利諾伊大學(xué)獲得博士學(xué)位，曾在波士頓學(xué)院任職正教授，2008年入選首批“千人計(jì)劃”回國，擔(dān)任中國科學(xué)院物理研究所研究員、北京凝聚態(tài)國家實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家，主要利用光電子能譜研究高溫超導(dǎo)體和新奇量子材料的電子結(jié)構(gòu)和物理機(jī)理。

2015年，丁洪首次利用同步輻射在固體材料中發(fā)現(xiàn)外爾費(fèi)米子，入選了美國《物理》評(píng)選的2015年8大標(biāo)志性成果、英國《物理世界》評(píng)選的2015年10大突破和中國科技部評(píng)選的2015年中國科學(xué)10大進(jìn)展。