中科院在鐵基超導體中發現天使粒子魅影,拓撲量子計算更近了

2021-01-15 澎湃新聞

國際物理學界追尋正反同體的馬約拉納費米子已有80多年，近日，它的魅影出現在鐵基超導體上。這意味著，人類距離拓撲量子計算更近了一步。

8月17日上午，中國科學院召開新聞發布會，宣布中國科學院物理研究所/中國科學院大學高鴻鈞和丁洪領導的聯合研究團隊利用極低溫-強磁場-掃描探針顯微系統首次在鐵基超導體中觀察到了馬約拉納零能模，即為馬約拉納任意子。相關論文當天凌晨在線發表在世界頂級學術期刊《科學》（Science）上。

丁洪 新華網 資料圖

主導此項研究的北京凝聚態國家實驗室首席科學家丁洪告訴澎湃新聞（www.thepaper.cn），這是國際上首次利用單一材料，在比其他複合材料都要高的工作溫度中觀測到了更純的馬約拉納費米子模。目前，丁洪團隊正在嘗試利用這種準粒子編織拓撲量子比特，一旦成功，拓撲量子計算機將走向現實，無疑是諾獎級別的成果。

那麼，什麼是馬約拉納費米子模？「準粒子」與「粒子」有何區別？它們與量子計算又有什麼關係？

正反同體的神秘粒子

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

1928年，物理學家保羅·狄拉克（Paul Dirac）做出了一個驚人的預測：宇宙中的每個基本粒子都有一個與其對應的反粒子——電荷相反的「雙胞胎」。當粒子與反粒子相遇時，它們會湮滅，同時釋放出一股能量。

1937年，義大利天才物理學家埃託雷·馬約拉納（Ettore Majorana）在他的論文中提供了另一種預測：應該有一些費米子，自己就是自己的反粒子，並可以用一個波動方程來描述。

值得一提的是，馬約拉納預測之後悄然失蹤，給這一預言增添了神秘色彩。隨後，人類踏上了尋找這一神奇粒子的漫長過程。

著名華裔物理學家、美國史丹福大學教授張首晟給馬約拉納費米子起了個別名叫「天使粒子」，靈感來源於丹·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景。過去我們認為有粒子必有其反粒子，正如有天使必有魔鬼。但今天，我們找到了一個沒有反粒子的粒子，一個只有天使，沒有魔鬼的完美世界。」

「附身」在固體材料上的粒子魅影

在粒子物理的標準模型中，中微子一直是馬約拉納費米子的「最佳嫌疑人」。不過，證明這一點需要進行無中微子的beta雙衰變實驗，人類暫時還沒有能力達到相應的實驗精度。因此，一些科學家將目光轉向了凝聚態物理。

凝聚態物理學研究的是由大量粒子組成的凝聚態結構，一般無法直接觀測到單個粒子。不過，固體材料（比如金屬、非金屬、半導體、超導體）內部的自由電子，在何時的磁場、壓力、溫度等外部條件下，會產生特定的集體活動趨勢，仿佛是一個虛擬粒子。

這些「準粒子」，在合適的環境條件會表現出和真實粒子一樣的物理規律，只是「附身」在固體材料上，可以視作粒子投射其上的魅影。

凝聚態科學家們要做的，就是尋找合適的固體材料和合適的環境條件，「創造」出馬約拉納費米子的影子，即馬約拉納費米子模。

單一材料，更高溫度

2016年6月，上海交通大學賈金鋒教授及其合作者在國際頂級物理學刊物《物理評論快報》（Physical Review Letters）在線發表論文指出，他們通過巧妙的實驗設計率先觀測到了在渦旋中的馬約拉納費米子的蹤跡。

2017年7月，張首晟、何慶林、寇煦豐、王康隆等4位華人科學家組成的聯合團隊在《科學》上發表論文，他們在量子反常霍爾效應薄膜和普通超導體薄膜組成的混合器件中觀測到了半整數量子電導平臺，為手性馬約拉那費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複雜的固體材料中找到馬約拉納費米子模，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體，在單一材料上就創造出了馬約拉納費米子模，提高了工作溫度。並且，最終得到的馬約拉納費米子模是國際上最為純粹的。

「編織」拓撲量子計算機

這種正反同體的「天使粒子」，可能正是量子計算機需要的點睛之筆。目前，各大科技巨頭在量子計算上紛紛投入了「軍備競賽」級別的研發和資金力量。

傳統的計算機運用要麼是「0」，要麼是「1」的二進位比特進行計算，量子計算機使用的量子比特則可以同時是「0」或「1」。理論上，10個量子比特可以平行計算2的10次方次。學界主流預測，50個量子比特的量子計算機就可以在特定問題上超過世界上最強大的經典計算機，實現「量子霸權」。

IBM最近完成了50比特原型機，谷歌也於年初發布了研製高質量72比特量子計算機的計劃，微軟卻另闢蹊徑：他們目前一個量子比特也沒公布，但宣稱一旦找到一個拓撲量子比特，就會比1000個嘈雜的量子比特更強大。

微軟重金押注的拓撲量子比特，正是馬約拉納費米子。

原來，量子計算不是個簡單的比誰比特數多的問題，量子比特的質量同樣重要。然而，量子比特的狀態是非常脆弱的，甚至觀測本身就會破壞它們。

而拓撲固體材料可以提供獨特的穩定環境，幫助囚禁其中的量子比特對抗擾動。所謂拓撲，直觀上就是幾何上的不變性：有些系統，不管其中的個體怎麼變化，有一些性質在整體上是不變的。放在拓撲量子計算這個例子上，科學家們就構想像編辮子一樣編織固體材料中的馬約拉納費米子模，構建一種特殊的拓撲結構，自身能守住某種整體性質，容錯能力強大。只要外界幹擾不是特別大，拓撲系統中的量子比特就能持續正常計算。

丁洪表示，自去年在鐵基超導體中找到了零能馬約拉納束縛態，團隊就在嘗試進一步編織拓撲量子計算系統。

丁洪，湖南長沙人，1995年在美國伊利諾伊大學獲得博士學位，曾在波士頓學院任職正教授，2008年回國，擔任中國科學院物理研究所研究員、北京凝聚態國家實驗室首席科學家，主要利用光電子能譜研究高溫超導體和新奇量子材料的電子結構和物理機理。

2015年，丁洪首次利用同步輻射在固體材料中發現外爾費米子，入選了美國《物理》評選的2015年8大標誌性成果、英國《物理世界》評選的2015年10大突破和中國科技部評選的2015年中國科學10大進展。

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