華人科學(xué)家找到“天使粒子”，讓量子計算成為可能

人民網(wǎng)北京7月21日電 （洪蔚琳、趙永新）物理學(xué)迎來重大突破：由4位華人科學(xué)家領(lǐng)銜的科研團隊終于找到了正反同體的“天使粒子”——馬約拉那費米子，從而結(jié)束了國際物理學(xué)界對這一神秘粒子長達80年的漫長追尋。

相關(guān)論文發(fā)表在今天出版的《科學(xué)》雜志上。該成果由加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校王康隆課題組和美國斯坦福大學(xué)教授張首晟課題組、上?？萍即髮W(xué)寇煦豐課題組等多個團隊共同完成，通訊作者為何慶林、寇煦豐、張首晟、王康隆，均為華人科學(xué)家。

張首晟接受本網(wǎng)記者采訪。趙永新攝

諾貝爾獎獲得者Frank Wilczek評價這項工作時說: 張首晟與團隊設(shè)計了全新的體系, 并在實驗中清晰地測量到馬約拉那費米子，這真是一項里程碑的工作。

國際同行指出：發(fā)現(xiàn)馬約拉那費米子是繼發(fā)現(xiàn)“上帝”粒子（希格斯波色子）、中微子、引力子之后的又一里程碑發(fā)現(xiàn)，不僅具有重大的理論意義，而且具有重要的潛在應(yīng)用價值：讓量子計算成為現(xiàn)實。

“神秘的正反同體粒子，讓我們等了80年”

在物理學(xué)領(lǐng)域，構(gòu)成物質(zhì)的最小、最基本的單位被稱為“基本粒子”。它們是在不改變物質(zhì)屬性前提下的最小體積物質(zhì)，也是組成各種各樣物體的基礎(chǔ)?；玖Ｗ佑址譃閮煞N：費米子和玻色子，分別以美國物理學(xué)家費米和印度物理學(xué)家玻色的名字命名。

東方西方哲學(xué)家都認為，人類似乎生活在一個充滿正反對立的世界：有正數(shù)必有負數(shù)，有存款必有負債，有陰必有陽，有善必有惡，有天使必有惡魔。 1928年，偉大的理論物理學(xué)家狄拉克(Dirac)作出驚人的預(yù)言：宇宙中每一個基本費米粒子必然有相對應(yīng)的反粒子。根據(jù)愛因斯坦E = mc2的質(zhì)能公式，當一個費米子遇上它的反粒子，它們會相互湮滅，從而使兩個粒子的質(zhì)量消失并轉(zhuǎn)化為能量。

從此以后，宇宙中有粒子必有其反粒子被認為是絕對真理。然而，會不會存在一類沒有反粒子的粒子，或者說正反同體的粒子？1937年，意大利理論物理學(xué)家埃托雷?馬約拉那（Ettore Majorana）在他的論文中猜測有這樣神奇的粒子存在，即我們今天所稱的馬約拉那費米子。不幸的是，他本人做出這一猜測后在一次乘船旅行中神秘失蹤。自此以后，尋找這一神奇粒子成為了物理學(xué)家門夢寐以求的探索目標。

意大利理論物理學(xué)家埃托雷·馬約拉那

科學(xué)家們認為，在粒子物理中，標準模型范疇之外的中微子可能是馬約拉那費米子。而要驗證這一猜想，需要進行無中微子的beta雙衰變實驗?？上У氖?，這項實驗所要求的精度在今后的10年到20年以內(nèi)都難以達到。

張首晟把突破口轉(zhuǎn)向凝聚態(tài)物理。從2010年到2015年，張首晟團隊連續(xù)發(fā)表三篇論文，精準預(yù)言了實現(xiàn)馬約拉那費米子的體系及用以驗證的實驗方案。王康隆等實驗團隊依照張首晟的理論預(yù)測，成功發(fā)現(xiàn)了手性馬約拉那費米子，為持續(xù)了整整80年的科學(xué)探索畫上了圓滿的句號。

張首晟將這一新發(fā)現(xiàn)的手性馬約拉那費米子命名為“天使粒子”，這個名字來源于丹?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。”張首晟說。

電影《天使與魔鬼》海報。

“今天的成果，是建立在發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的基礎(chǔ)上”

困擾了物理學(xué)界80年的難題是怎樣被破解的？張首晟認為，任何科研工作都是建立在已有成果的基礎(chǔ)上。天使粒子的發(fā)現(xiàn)，得益于先前對量子反?；魻栃?yīng)的探索，也是理論和實驗結(jié)合的成果。

最初，張首晟按常理做了一項推斷：既然馬約拉那費米子只有粒子、沒有反粒子，那么它就相當于傳統(tǒng)粒子的一半。他很快意識到，“一半”的概念就是解決問題的關(guān)鍵。

早在2008年，張首晟理論就預(yù)言了量子反?；魻栃?yīng)，這一預(yù)言在2013年被清華大學(xué)教授薛其坤領(lǐng)銜的清華大學(xué)物理系和中科院物理研究所聯(lián)合組成的實驗團隊證實。在實驗中，隨著調(diào)節(jié)外磁場，反常量子霍爾效應(yīng)薄膜呈現(xiàn)出量子平臺，對應(yīng)著1、0、-1倍基本電阻單位e2/ h。也就是說，量子世界里的電阻是量子化的，它只能整數(shù)倍地跳臺階。

這給了張首晟一個靈感：馬約拉那費米子是通常粒子的一半，既然通常的粒子按整數(shù)跳，馬約拉那費米子或許就是按半整數(shù)跳——它一定會呈現(xiàn)出一個奇特的、“1/2的臺階”。由此，他預(yù)言手性馬約拉那費米子存在于一種由量子反?；魻栃?yīng)薄膜和普通超導(dǎo)體薄膜組成的混合器件中。當把普通超導(dǎo)體置于反常量子霍爾效應(yīng)薄膜之上時，臨近效應(yīng)使之能夠?qū)崿F(xiàn)手性馬約拉那費米子，相應(yīng)的實驗中會多出全新的量子平臺，對應(yīng) 1/2 倍基本電阻單位e2/ h。

張首晟團隊提出的搜尋馬約拉那費米子的實驗平臺：由量子反?；魻栃?yīng)薄膜和普通超導(dǎo)體薄膜組成的混合器件。

在后續(xù)的實驗驗證中，激動人心的成果出現(xiàn)了：王康隆等實驗團隊確實看到了“1/2的臺階”。這半個基本電阻來源于馬約拉那費米子作為半個傳統(tǒng)粒子的特殊性質(zhì)，因此，多出來的半整數(shù)量子平臺為手性馬約拉那費米子的存在提供了有力的印證。

何慶林、王康隆實驗團隊和夏晶實驗團隊在與張首晟理論團隊合作下所測量到的與理論預(yù)測符合的半量子電導(dǎo)平臺，這為馬約拉那費米子的發(fā)現(xiàn)提供了直接而有力的實驗證據(jù)。

“天使粒子帶來的量子計算時代，讓我充滿興奮和期待”

找到天使粒子有什么現(xiàn)實意義？張首晟指出，從基本科學(xué)發(fā)現(xiàn)到技術(shù)應(yīng)用往往需要多年時間，但天使粒子的發(fā)現(xiàn)意味著量子計算已成為可能。

他解釋說，量子世界本質(zhì)上是平行的，一個量子粒子能夠同時穿過兩個狹縫。因此，量子計算機能夠進行高度并行的計算，遠比經(jīng)典計算機有效。以算術(shù)問題為例，如果給出一個很大的數(shù)字，問這個數(shù)字能否拆成兩個數(shù)字的乘積，那么經(jīng)典計算機只能用窮舉法逐一嘗試整除計算，而量子計算機可以在一瞬間同時完成所有可能項的測算。

一個量子粒子能夠同時穿過兩個狹縫。

然而，一個量子比特的信息非常難以存儲，微弱的環(huán)境噪聲就能毀滅其量子特性。因此，量子計算機往往被視為可望不可即的空想。

“通常情況下，量子比特只能放在一個傳統(tǒng)粒子內(nèi)儲存，容易被干擾。但如今，天使粒子的發(fā)現(xiàn)提供了一種絕妙的可能性：一個量子比特能夠被拆成兩半，存儲在兩個距離十分遙遠的馬約拉那費米子上。”張首晟說，如此一來，傳統(tǒng)的噪聲很難同時以同樣的方式影響這兩個馬約拉那費米子、進而毀滅所存儲的量子信息。“相較于傳統(tǒng)的存儲方式，基于天使粒子的存儲方式極其穩(wěn)固。”

“我們提出的器件同時還是二維體系，從而允許馬約拉那費米子的糾纏和編辮，使得有效的量子計算成為可能，從而解決人類面對的一些艱難問題。”張首晟說，“我對天使粒子巡游的量子天堂充滿興奮與期待。”

來源：人民網(wǎng) 記者：洪蔚琳、趙永新