史丹福大學華人教授張首晟探索神秘「天使粒子」

2020-12-01 中國僑網

史丹福大學華人教授張首晟探索神秘「天使粒子」

2017年07月27日 11:05   來源：人民日報   

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　　我們似乎生活在一個充滿正反對立的世界：有正數必有負數，有存款必有負債，有陰必有陽，有天使也有惡魔。宇宙的最小物質組成部分——基本粒子也是一樣。1928年，英國理論物理學家狄拉克曾做出驚人的預言：宇宙中每一個基本粒子必然有其相對應的反粒子。

　　幾年後，科學家在宇宙射線中發現與電子相反的正電子，驗證了這一預言。根據愛因斯坦E=mc2的質能公式，當一個粒子遇上它的反粒子時，它們會相互湮滅從而釋放出巨大能量。丹·布朗的小說及其電影《天使與魔鬼》，就描述過這樣的正反粒子湮滅爆炸的場景。

　　自此，宇宙中有粒子必有其反粒子，被認為是永恆不變的真理。但是，宇宙中會不會還存在著這樣一類粒子：它們沒有反粒子，或者說其自身就是自己的反粒子？1937年，義大利理論物理學家埃託雷·馬約拉納猜測，這種神奇的粒子可能存在，這也就是我們今天所稱的馬約拉納費米子。此後，諸多物理學家將尋找這種粒子奉為物理學研究的一項崇高目標。物理學中有一份表單，囊括了人類夢寐以求的神秘粒子，其中就包括馬約拉納費米子。

　　2010至2015年間，筆者與團隊曾預測了找到馬約拉納費米子的途徑，並指出哪些實驗信號能夠作為證據。根據理論預測，筆者的團隊與來自加利福尼亞大學的其他三個實驗團隊合作，最終發現了手性(一維空間單向運動)馬約拉納費米子。類比丹·布朗所描述的正反粒子湮滅爆炸的小說《天使與魔鬼》，筆者提出將新發現的手性馬約拉納費米子稱為「天使粒子」。這一發現已發表在近期的《科學》雜誌上。

　　「天使粒子」的發現，有望為構造穩固的拓撲量子計算機提供更多可能性。量子世界本質上是並行的，因此量子計算機能夠進行高度並行的量子計算，遠比經典計算機有效。例如，在一個高難度的計算問題上，傳統計算機只能運用窮舉法，逐一列出可能項並加以計算，而量子計算機則可以同時完成所有可能項的計算。然而，一個量子比特(量子信息的基本單位)的信息非常難以存儲，微弱的環境噪聲都能夠毀滅其量子特性。

　　由於「天使粒子」沒有反粒子，或者說它相當於半個傳統粒子，這便提供了一種絕妙的可能：我們可以將一個量子比特一分為二、存儲在兩個距離十分遙遠的「天使粒子」上。傳統的噪聲只有在同一時間、又以同樣的方式影響這兩個「天使粒子」，才能毀滅所存儲的量子信息，而這是極其難以實現的。因此，通過這樣的方式存儲在遠距離「天使粒子」上的量子比特，本質上極其穩固。有了這一發現，未來真正有效的量子計算將有望成為現實。

　　當然，從基本科學發現到技術應用往往需要多年時間，但是筆者對於「天使粒子」所在的量子天堂充滿了興奮與期待：拓撲量子計算能夠解決當下人類面臨的一些最艱難的問題，繼而創造一個更加美好的世界。(作者為美國史丹福大學終身教授張首晟)

【責任編輯:李明陽】

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