科学家发现“天使粒子” 物理学界再迎重大突破,对量子计算机有重要意义

张首晟意大利理论物理学家埃托雷·马约拉纳。英国理论物理学家保罗·狄拉克。保罗·狄拉克墓碑上的方程式。继去年美国科学家宣布第一次直接探测到引力波的存在,找到了爱因斯坦广义相对论的最后一块拼图后,物理学家们现在又迎来一个伟大发现。北京时间7月21日,美国华人科学家、斯坦福大学物理学教授张首晟及其团队当天凌晨在《科学》杂志上报告说:他们首次发现了马约拉纳费米子存在的证据。这一重大发现解决了困扰量子物理学80年的难题,对量子计算也具有重要意义。

物理学界80年难题解开

正负、阴阳、善恶……这个世界仿佛充满正反对立。1928年,英国理论物理学家保罗·狄拉克预测,宇宙中每个基本粒子都有相对应的反粒子。当粒子和反粒子相撞时,它们会相互湮灭,释放出能量。果不其然,几年后,科学家在宇宙射线中发现了电子的反粒子正电子,验证了这一预言。

1937年,意大利物理学家埃托雷·马约拉纳提出一个新的理论:他预测自然界中可能存在一类特殊的粒子,它们的反粒子就是自身,这种正反同体的粒子被称为马约拉纳费米子。不过,马约拉纳费米子存在的证据一直未被发现,它和中微子、希格斯玻色子等一起,成为理论早有预言但长期无法验证的粒子。如今,张首晟团队终于找到了它存在的证据。

张首晟把他们发现的马约拉纳费米子称为“天使粒子”。美国电影《天使与魔鬼》提到正反粒子湮灭爆炸的场景,将粒子与反粒子比喻为天使与魔鬼,“我们发现的马约拉纳费米子的世界里,只有天使,没有魔鬼。”

在寻找“天使粒子”的过程中,张首晟领导的理论团队预言了通过怎样的实验平台能找到马约拉纳费米子,哪些实验信号能作为证据；加利福尼亚大学洛杉矶分校的何庆林、王康隆及欧文分校的夏晶领导的实验团队与理论团队密切合作,在实验中发现了被称为手性马约拉纳费米子的一类最基本马约拉纳费米子。中国的复旦大学和上海科技大学对实验也有贡献。

按照理论团队预言,研究人员搭建了一个将普通超导体薄膜置于量子反常霍尔效应薄膜(即磁性拓扑绝缘体)之上的混合器件。施加低强度外磁场后,研究人员测量到了半整数量子平台,这成为手性马约拉纳费米子存在的实验证据。

张首晟说,在以往的量子反常霍尔效应实验中,随着调节外磁场,会出现整数量子平台。这是通常的粒子行为。马约拉纳费米子没有反粒子,相当于半个传统粒子,因此当把普通超导体置于量子反常霍尔效应薄膜上时,在通常的整数量子平台外,会新出现半整数量子平台。

被小小粒子撬动的世界

科幻小说《三体》中,三体人为占领地球,创造了智能机器人智子并派驻地球,它的一个重要任务是通过干扰地球粒子高能加速器的运转,进而干扰人类对基础科学的研究,实现锁死人类科技进步的目标。

智子虽是科幻小说中的一个角色,但基础科学研究在近几十年遭遇瓶颈,却是人类社会面临的真实挑战。20世纪初,物理学界掀起量子革命,在颠覆经典物理、为人们认识世界和宇宙打开新大门的同时,量子世界的波粒二象性等基本数学特性,也为科学家们带来新的未解谜团。

为解释这些现象,科学家们提出了哥本哈根解释、多宇宙论、隐变量理论等等,但至今仍未真正揭开量子论的神秘面纱。尽管如此,量子论的兴起依然彻底改变了世界的面貌,核能、计算机技术、能源技术、信息技术等的发展,都与量子论密切相关。

量子论的神秘吸引着大批科学家投身其中,在量子论的影响下,物理学者们已达成共识,认为物质是由基本粒子组成,这些基本粒子彼此之间相互影响的基本力有四种。而对粒子与力的探寻,将能真正揭开宇宙的奥秘。

为此,科学家们提出许多理论假设,在物理学中有一份表单,囊括了人类梦寐以求的神秘粒子,其中有希格斯玻色子(“上帝粒子”,已在欧洲粒子加速器中被发现)、引力子、磁单极、暗物质和马约拉纳费米子。如今,马约拉纳费米子被发现,表单中的神秘粒子又少一个,这意味着人类在解开宇宙真相的道路上又前进了一步。

稳定量子计算的新希望

马约拉纳费米子被发现,将从哲学层面挑战人类对现有世界的认知,即世界不完全是正反对立的,有阴不一定有阳。除此之外,这一发现还具有更加现实的意义——在固体中实现拓扑量子计算将成为可能。

在张首晟看来,天使粒子的发现“非常非常神奇”,“发现马约拉纳费米子存在,对建造稳定的量子计算机具有重要意义。”张首晟说。

量子计算机是能进行高度并行的量子计算,效率远超经典计算机,但环境噪声是研发量子计算机的一大障碍。一个量子比特(量子计算的基本单位)的信息很难稳定存储,微弱的环境噪声就会破坏其量子特性。

由于马约拉纳费米子相当于半个传统粒子,一个量子比特可以拆成两个费米子,这就提供了一个绝妙的可能性:一个量子比特的信息能储存在两个相距遥远的马约拉纳费米子上。这样,传统的噪声极难同时以同样的方式影响这两个马约拉纳费米子,也就很难同时毁灭它们所存储的量子信息。相较于传统的存储方式,比如电子自旋,超导磁通和光子极化,这样存储在远离的两个马约拉纳费米子上的拓扑量子比特,本质上极其稳固。

“我们提出的器件同时还是二维体系,从而允许马约拉纳费米子的纠缠和编辫,使得有效的量子计算成为可能,从而解决人类面对的一些艰难问题。”张首晟说,“我对‘天使粒子\’巡游的量子天堂充满兴奋与期待。”物理学家的信仰

霍金的传记电影《TheTheoryOfEverything》中有这样一句台词:宇宙物理学家的信仰是什么?一个单一的统一方程式解释宇宙间的一切。这是爱因斯坦至死都在研究的万能理论,可被称为物理学的桂冠。找到万能理论也是张首晟的梦想。

1963年出生的张首晟,17岁便到德国柏林自由大学学习理论物理专业,这也是杨振宁的专业。理论物理的就业面太窄,张首晟一度担心自己的前途。但当他来到哥廷根大学附近的一块墓地,看到里面埋葬的一些物理学家都是用其生前发现的公式作为墓志铭,这深深震撼了他。自此,“用一个公式概括整个世界”成为张首晟的梦想。

还有一个选择对张首晟有深远影响。在柏林自由大学学习时,张首晟一直将大统一理论当成自己的学术目标。但当他师从杨振宁时,杨振宁鼓励他去研究凝聚态物理。杨振宁认为自己所处的领域要想有所突破已很难,而凝聚态物理刚刚兴起,发展很快。最后,张首晟在杨振宁的指导下,开始在凝聚态领域工作,“他希望我把视野放得更宽广一些。”

“上帝粒子”被发现花费了60多年,引力波被发现耗时100年,而张首晟及其团队在提出实验模型7年后便验证了实验结果,张首晟认为自己很幸运。

张首晟多年被汤森路透预测会得到诺贝尔奖,杨振宁则评价“他获得诺贝尔奖只是时间问题”。不知道“天使粒子”的发现,能否让张首晟众望所归。

本报综合报道

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