8月17日，聯合研究團隊的中國科學院院士高鴻鈞在做成果介紹。沈 慧攝
近日，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宣布：首次在超導塊體中觀察到了馬約拉納費米子。這項發現將大大推動馬約拉納物理的研究，對構建高度穩定的量子計算機具有重要意義。
相比以往的探索，中國科學家此次發現的馬約拉納費米子純淨度更高，能在相對更高的溫度下得以實現，而且材料體系更加簡單。「這對構建穩定的、高容錯、可拓展的拓撲量子計算機具有極其重要的意義。」中國科學院院長白春禮稱。日前，相關研究成果已在《科學》雜誌在線發表。
神奇的馬約拉納費米子
當馬約拉納費米子以準粒子的形式出現在固體材料表面時，會變成「馬約拉納任意子」，可以用來構造拓撲量子比特，應用於自容錯的拓撲量子計算機
人類文明的進步有賴於對物質的進一步認識。眾所周知，我們所在的宇宙是由物質組成的，構成物質最小、最基本的單位是基本粒子。
根據現有的認知，按照其佔據能量狀態的不同，科學家們把基本粒子分為玻色子和費米子兩大家族。玻色子負責傳遞相互作用力，費米子則負責構成物質。我們身邊的太陽、高山、河流等物質，都由名叫費米子的基本粒子組成。
1928年，英國理論物理學家保羅·狄拉克大膽預測：宇宙中每個基本的粒子必然有相對應的反粒子，當粒子和反粒子相撞時會相互湮滅，進而釋放出能量。1937年，義大利理論物理學家埃託雷·馬約拉納卻提出另一設想：自然界應該存在正反粒子相同的費米子，其反粒子就是它本身。
這種神奇的費米子，就是人們後來所說的馬約拉納費米子。有些人猜測，有著「鬼粒子」之稱的中微子，是馬約拉納費米子的「最佳嫌疑人」。然而80多年過去，這位令無數科學家「傾倒」的「神秘人」，遲遲沒有現出「真身」。
「在真實宇宙中證明馬約拉納費米子的存在，大概比找到暗物質的概率還要小。」中國科學院物理所研究員丁洪坦言。
既然如此，緣何還要「執迷不悟」？丁洪說，如果馬約拉納費米子的存在一旦被證實，這將是繼發現「上帝粒子」之後，又一個諾貝爾獎級的重大發現。但驅使科學家們繼續為之「瘋狂」的更重要原因則是：當馬約拉納費米子以準粒子的形式出現在固體材料表面時，就會變成馬約拉納任意子（一種量子態），可以用來構造拓撲量子比特，應用於自容錯的拓撲量子計算機。
在2017年首次發現了馬約拉納費米子存在證據的著名華裔物理學家、美國史丹福大學教授張首晟參考暢銷書《天使與魔鬼》，給這個神秘粒子起了個別名——「天使粒子」。書中，一個秘密組織計劃用定時炸彈炸毀梵蒂岡，而這顆炸彈的威力來自於物質與反物質湮滅產生的反應。「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。」張首晟稱。
換個「魚塘」捕獲準粒子
如果說宇宙是一個大「魚塘」，那麼各種粒子就藏在裡面。具體到馬約拉納任意子，中國科學家發現了一個合適的「魚塘」——新型超導塊體
茫茫宇宙，如何覓其「芳蹤」？如果說宇宙是一個大「魚塘」，那麼各種粒子就藏在裡面。一般來說，有兩種尋找路徑，一是先發現再研究形成理論，比如電子、質子、中子；二是通過合理的推理預言宇宙中應該存在某種粒子，然後設計方案尋找，比如中微子就是這樣發現的。
具體到馬約拉納任意子，除了升級「抓捕」裝備，還可以考慮換個「魚塘」。這個「魚塘」就是科學家們常說的固體材料，比如金屬、非金屬、超導體等。固體材料的內部結構為粒子們的形成提供了豐富的環境，但固體材料不同，提供的環境也不同，最終形成的準粒子會大不一樣。
什麼是準粒子？「有些準粒子可以看作宇宙中真實粒子在固體中的影子。它們和真實粒子遵循同樣的物理規律，只是行動受限，只能待在固體材料中。」丁洪說。
北京大學物理學院量子材料科學中心副主任杜瑞瑞打了個比方：一杯水裡有些氣泡，這些氣泡就是準粒子，但你不能把氣泡拿出來，因為離開這杯水，氣泡就不存在了。換句話說，基本粒子可以獨立存在，而準粒子不能，它只能存在於一定的環境中。
對此，科學家們需要做的便是尋找合適的「魚塘」，並在合適的溫度、壓力、磁場之下，創造出想要尋找的準粒子。
在成千上萬的已有「魚塘」中，中國科學家發現了一個合適的「魚塘」——新型超導塊體。此次，高鴻鈞和丁洪領導的聯合研究團隊便是在新的塊體超導材料體系這個「魚塘」中，發現了馬約拉納準粒子。
「此前也有研究團隊宣稱發現了馬約拉納準粒子，但其『魚塘』製作太複雜，條件要求太苛刻，而且觀測到的結果也不理想。」丁洪表示。
有望推動拓撲量子計算機
基於馬約拉納任意子的拓撲量子計算機具有很強抗幹擾能力，克服了量子計算機的弊端，因此對構建高度穩定的量子計算機具有重要意義
這一發現有何意義？
多年來，科學家一直嘗試在凝聚態物質的多種系統中尋找馬約拉納費米子，這已經成為國際科技界激烈競爭的戰略制高點之一。此前，美國、荷蘭、中國、丹麥等多個研究團隊都曾宣稱找到了馬約拉納任意子或者費米子的證據。但是，他們的實驗都需要構造異質結構體系，其工藝複雜，並且需要極低溫的條件（小於1開爾文）。
這次，我國聯合研究團隊利用極低溫—強磁場—掃描探針顯微系統，第一次在單一塊體超導材料中觀測到純度更高的馬約拉納準粒子。
「我們觀測到的馬約拉納任意子不與其他的準粒子態混合，成分純度很高。進一步實驗發現，該馬約拉納任意子在強度6T以下的磁場，以及4開爾文以下的溫度中，都能穩定存在。這預示著，在其他的多能帶高溫超導體裡，也可能存在馬約拉納任意子。」丁洪說。
張首晟表示，他的團隊一年前發現的馬約拉納費米子，實驗體系是由常規超導體與量子反常拓撲絕緣體構成的混合器件，並且現象在超低溫的極端條件下才出現。而此次研究中採用的實驗體系，許多物理性質優於混合系統，並且不需要極端的超低溫條件。因此，這項發現將大大推動馬約拉納物理的研究。
在麻省理工學院講席教授、美國科學院院士文小剛看來，多年來，實驗物理學家一直孜孜以求地搜尋馬約拉納費米子在真實材料中的蹤跡。這次在鐵基超導材料表面觀察到馬約拉納準粒子的特徵信號，具有很高的穩定度，是一個重要的發現。由此，這項研究使鐵基超導材料有可能應用於構建對環境幹擾免疫的拓撲量子計算機。
在量子計算機中，存儲和處理信息的基本單元叫量子比特，與傳統計算機要麼使用「0」要麼使用「1」的二進位比特來開展計算不同，量子計算機使用的量子比特可以同時是「0」或「1」。這讓它具備更快的運行速度，以及更大計算量的優勢同時，也衍生出另外一個弊端：因受到局域環境的幹擾，導致量子比特疊加態消失，從而引發計算失敗。
根據學界的預測，50個量子比特的量子計算機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」。「而基於馬約拉納任意子的拓撲量子計算機對於環境這種局部擾動具有很強的抗幹擾能力，自身帶有高容錯的秉性。因此，在材料中發現馬約拉納任意子，這對構建高度穩定的量子計算機具有重要意義。」中國科學院大學卡弗裡理論科學研究所所長張富春表示。