近报 -21版:新知-2017年07月28日

　　7月21日,《科学》杂志刊登了斯坦福大学张首晟团队领导的一项重要研究,他们发现了物理学家马约拉纳80年前提出的一类神秘粒子。
神秘的马约拉纳费米子
　　物理学中有一份表单,囊括了那些人类梦寐以求的神秘粒子,其中就有希格斯波色字,也就是最近在欧洲粒子加速器中被发现的“上帝粒子”,表单中还有引力子、磁单极、暗物质和马约拉纳费米子,相较其他粒子而言,马约拉纳费米子或许更加神秘。　
　　1928年,伟大的理论物理学家狄拉克作出惊人的预言:宇宙中每一个基本粒子必然有相对应的反粒子。几年之后,正电子果然在宇宙射线中被发现,验证了有史以来最伟大的理论预言之一。目前,正电子被广泛应用到人类生活之中,医学影像技术PET就是其中之一,现在已经用于早期老年痴呆症的检测。
　　当一个粒子遇上它的反粒子时,根据爱因斯坦E=mc2的质能公式,它们会相互湮灭从而将所有质量释放成能量。丹·布朗的小说及其电影《天使与魔鬼》就描述过这样的正反粒子湮灭爆炸的场景。张首晟十分喜欢这本小说,也是“天使粒子”命名的灵感来源。
　　从此以后,宇宙中有粒子必有其反粒子被认为是永恒不变的真理。但是会不会有这样一类没有反粒子的粒子,或者说它们自身就是自己的反粒子?1937年,也就是整整八十年前,伟大而神秘的意大利理论物理学家埃托雷·马约拉纳猜测有这种神奇粒子的存在,这也就是我们今天所称的马约拉纳费米子。
　　从那时起,寻找这一神奇粒子也就成了物理学中许多领域研究工作的崇高目标。
量子计算机成为可能
　　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。
　　根据这一理论预言,来自UCLA(由何庆林、王康隆教授领导)和UCIrvine(由夏晶教授领导)的两个实验团队与斯坦福大学张首晟教授的理论团队紧密合作,最终在所提出的器件中实验上发现了手性马约拉纳费米子。
　　马约拉纳费米子能够用于构造稳固的拓扑量子计算机。量子世界本质上是并行的,一个量子粒子能够同时穿过两个狭缝。所以量子计算机能够进行高度并行的量子计算,远比经典计算机有效。然而,一个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(波函数坍缩效应)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:一个量子比特能够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,毁灭所存储的量子信息,使通常非常脆弱的量子比特变为稳固。
　　相较于传统的存储方式,这样存储本质上极其稳固。张首晟团队所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,天使粒子可使已经被认为是最小单位的量子拆成两半,让量子变得更稳定,该项研究已经可以开始应用,张首晟表示微软和谷歌已经提供了支持,未来在国内也会开始进行应用。　　　从基本科学发现到技术应用往往需要多年时间,张首晟教授表示:“基本科学的发现最终总会造福人类,需要有足够的耐心。探寻宇宙、自然深刻规律时,对于天使粒子巡游的量子天堂充满了兴奋与期待,拓扑量子计算能够解决当下人类面对最艰难的一些问题,从而迎来一个完美世界。
仅是科学的一小步
　　但也有专家指出,这次马约拉纳的实验,所测量到的是在超导体与拓扑绝缘体接触面上量子反常霍尔效应出现了一个半整数现象,而且发现左右不对称。虚拟的马约拉纳是一个可能,但是也可能是其他未知的机制。本次实验在国际上基本亦是一种跟进流行的延伸性研究,而找到一个可能左右行为不同的马约拉纳的虚拟粒子,也是有前人(较早做出理论建议的,也包括一个中国人)研究过的一个特例。
　　长远看来,这些虚拟的马约拉纳倒是可能被用在量子计算上,但是这条路还很漫长,这个研究只算是很小的一步。
据《环球科学》