寻找马约拉纳:来自另一个宇宙的救赎

量子计算机,事关人类对未来的想象,近些年以来,既是科学研究的最前沿,也是各国竞相研发的焦点。

一支由中国科学家领导的团队给新型量子计算机的研制带来了更多可能性。8月17日在线出版的《科学》杂志上,报道了中国科学院物理研究所/中国科学院大学高鸿钧和丁洪领导的联合研究团队的一项新发现,他们首次在超导块体中观察到了马约拉纳零能模,即马约拉纳任意子。

在中科院院长白春礼看来,这一成果“对构建稳定的、高容错、可拓展的未来量子计算机的应用具有极其重要的意义”。

失落的预言

1937年,意大利理论物理学家埃托雷·马约拉纳预言了一种自旋为1/2的中性费米子,其反粒子就是它本身。

不料就在次年,马约拉纳在登上一艘船后便离奇失踪。这名年轻天才的突然消失,让他的这个预言成为一桩科学悬案。

之后,科学家们将这种神奇的粒子叫做马约拉纳费米子,有些人也猜测,有着“鬼粒子”之称的中微子,有可能就是马约拉纳费米子。

然而,要证明这个猜测实在是太难了,尽管科学家做了各种努力,但至今还没有实验能够证实这一点。

“在真实宇宙中证明马约拉纳费米子的存在,大概比找到暗物质的概率还要小。”中科院物理所研究员、国家“千人计划”入选者丁洪坦言。

但这并没能阻止物理学界对它的痴迷,以及疯狂的寻找。因为马约拉纳费米子所具备的一个特性,很可能改写人类历史。

量子计算机的Plan B

相较于传统计算机,量子计算机由于具有更快的运行速度和更大的计算量而被寄予厚望。但是,当前的量子计算机面临的一大问题就是稳定性差,容易出错。

这是因为传统的量子比特特别容易受到外界环境的干扰,从而导致计算的失败。

为了保护这个量子比特不受干扰,就需要给它配备很多个量子比特当“护驾”,这就让制造量子计算机的难度、成本和工作量急剧上升。

在这种情况下,马约拉纳费米子的神奇特性让科学家看到了新的希望。

当马约拉纳费米子被束缚在一“点”上时,它就会“分裂”,变成两个马约拉纳任意子。马约拉纳任意子具有奇特的非阿贝尔统计,可以用来构造拓扑量子比特,应用于自容错的量子计算机。

“马约拉纳任意子就像是组成拓扑量子比特的‘砖块’。”国科大卡弗里理论科学研究所所长张富春说,基于马约拉纳任意子的拓扑量子计算机对环境局部扰动有很强的抗干扰能力,自身带有高容错的秉性。“因此,谁要是能用马约拉纳任意子做出拓扑量子比特,将是非常重大的一个贡献。”

但问题是,人们应该到哪里去寻找马约拉纳任意子呢?

固体宇宙的“拯救”

在从事凝聚态物理学研究的科学家眼中,固体材料中也存在着一个“宇宙”。在这里,亿万个电子通过相互作用,形成决定材料性质的“准粒子”。而这些准粒子与我们真实宇宙中的基本粒子可能会遵循相同的物理规律。

当然,准粒子与基本粒子也是有些区别的。“基本粒子是可以独立存在的;而准粒子不能独立存在,只能存在于一定的环境中。”北京大学物理学院量子材料科学中心副主任杜瑞瑞告诉《中国科学报》记者,“比如一杯水里有些气泡,这些气泡就是准粒子,你不能把气泡拿出来。离开这杯水,气泡就不能存在了。”

近年来的理论研究表明,在凝聚态物质中也可能存在遵守马约拉纳性质的准粒子,也就是“固体宇宙”中的马约拉纳费米子。

这种令人兴奋的可能性,让在凝聚态物质的多种系统中寻找马约拉纳费米子成为国际科技界激烈竞争的战略制高点之一。

此前,国内外等多个研究团队都宣称找到了马约拉纳任意子或者费米子的证据。然而,这些马约拉纳任意子/费米子存在的体系都需要构造异质结构,其工艺复杂,并且需要极低温条件(小于1开尔文)。

在此次研究中,中科院院士高鸿钧研究组与丁洪研究组的科研人员,利用高鸿钧组自主设计、集成研制的探测系统进行了系列探索,最终首次在铁基超导体中找到了成分纯度很高的马约拉纳任意子。进一步实验发现,该马约拉纳任意子在6特斯拉以下的磁场及4开尔文以下的温度中都能稳定存在。

“隐形冠军”这样炼成

这是第一次,人们在单一块体超导材料、相对高的温度中发现高纯度的马约拉纳任意子,国际物理学界对这项由中科院/国科大领衔的研究给予了高度评价。

诺贝尔物理学奖得主、美国科学院院士安东尼·詹姆斯·莱格特说:“你们的实验比以前的许多实验更清晰,我相信它是第一个可信的证明超导体中拥有马约拉纳粒子的证据。”

斯坦福大学讲席教授、美国科学院院士张首晟说:“今天丁洪和高鸿钧教授共同领导的联合实验小组宣布了振奋人心的新发现……这项发现科学意义十分重大,大大推动了铁基超导的研究与马约拉纳费米子的研究。”

“多年来实验物理学家一直在疯狂地搜寻它在真实材料中的踪迹。这次在铁基超导材料表面观察到马约拉纳零模的特征信号,有很高的稳定度,是一个重要的发现。”麻省理工学院讲席教授、美国科学院院士文小刚认为,这项研究使铁基超导材料有可能应用于构建对环境干扰免疫的拓扑量子计算机。

多年来,中科院在解决国家“卡脖子”问题和事关长远的“心腹之患”上深耕不辍。白春礼认为,在铁基超导体中发现马约拉纳任意子,是中科院“率先行动”计划实施以来,面向国际科技前沿,加强顶层设计,科学家联合攻关,取得重大科学成果的范例。

白春礼此言不虚。为了做好实验,研究组的一名博士生今年春节没有回家,他的妈妈就来到北京,团队在做实验,这位妈妈给他们做饭,大家一起度过了一个非同寻常的新年。

此外在实验过程中,团队还自行研制了超快光学—扫描隧道显微系统,在高精尖科研仪器装备的自主研发上,逐渐具备了能力。

也许,除了为马约拉纳物理研究开辟新的方向外,这项成果所带来的无形影响,将更加深远。

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责任编辑:陈龙
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