华人科学家找到“天使粒子”解了困扰物理学80年的难题量子计算迎来新希望

文章部分作者：左起为何庆林，寇煦丰，张首晟和王康隆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了一个伟大发现。美国斯坦福大学华人科学家张首晟等人20日在美国《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。

独特的天使粒子

正负、阴阳、善恶……这个世界仿佛充满正反对立。英国物理学家保罗·狄拉克1928年预言，每一个基本粒子都有对应的反粒子。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·马约拉纳预言，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”。根据爱因斯坦的质能转换公式，当一个粒子遇上其反粒子就会发生湮灭，并释放能量。美国惊悚片《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。“而在我们发现的马约拉纳费米子的世界里，只有天使，没有魔鬼。”张首晟对记者说。

七年跋涉终圆满

根据张首晟的介绍，七年前，团队开始系统的提出实验方案，在2010到2015年期间，张首晟与其团队连续发表三篇论文，精准预言了在哪里能够找到马约拉纳费米子，继而指出哪些实验信号能够作为铁证如山的证据。加利福尼亚大学洛杉矶分校的何庆林、王康隆以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。

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。

张首晟解释说，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之上时，在通常的整数量子平台之外，会新出现半整数量子平台。

量子计算的新希望

马约拉纳费米子被发现，具有现实的意义——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，这意味着一个量子比特可以拆成两个，对整个量子物理有根本的改变。”由于量子世界本质上是并行的，一个量子粒子能同时穿过两个狭缝。所以量子计算机能进行高度并行的量子计算，远比经典计算机有效。

然而，量子计算的实现面临一个非常大的挑战：量子比特的信息非常难以存储，微弱的环境噪声都能够引起退相干从而毁灭其量子特性。马约拉纳费米子没有反粒子，或者说相当于半个传统粒子，便提供了一种绝妙的可能性：一个量子比特能存储在两个距离十分遥远的马约拉纳费米子上。如此一来，传统的噪声极其难以同时以同样的方式影响这两个马约拉纳费米子，进而毁灭所存储的量子信息。综合新华社等报道

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