[科普中国]-中国科学家在单材料中发现马约拉纳任意子，或助量子计算机研发

图注：本次研究的联合带头人之一，中科院物理研究所丁洪研究员在介绍本次研究工作。近期，由中国科学家领导的联合研究团队利用极低温－强磁场－扫描探针显微系统首次在铁基超导块体材料体中观察到了马约拉纳任意子。这或许意味着，我们在对马约拉纳费米子准粒子的探寻上又进了一步。但更为重要的是，本次研究采用了更加简单的材料结构，并且能在更高的温度下实现马约拉纳任意子，可能对未来构建稳定、高容错、可拓展的量子计算机起到极大帮助。费米子与其反粒子事实上，组成我们这个世界的质子、中子和电子等粒子，都可以算作费米子，这个名称源自于意大利的著名物理学家恩利克·费米（Enrico Fermi）。对于费米子，著名物理学家狄拉克提出了一个描写费米子基本运动的方程——狄拉克方程，利用这个方程，狄拉克发现所有费米子都有一个非常有趣的特性：所有费米子都存在一个与其性质几乎完全相同，但电荷量与磁矩正好相反的“反粒子”。例如，狄拉克在1928年就预言了“正电子”的存在，这个预言在1932年被美国物理学家卡尔·大卫·安德森（Carl David Anderson）证实。后来，人们又逐渐发现了反质子、反中子等等。图注：所有费米子都有其反粒子，两者的质量、自旋、平均寿命都相同，但电荷与磁矩正好相反。这些反粒子自身都是稳定的，但是它们天生与正粒子们“水火不容”：两者就像恶魔与天使一样，一旦相遇，就会发生“湮灭”而消失，转化为巨大的能量。所以，在我们目力所及的世界中，反粒子是非常少见的，它们只能在宇宙空间中孤零零地漂浮，或是在高能物理实验室中短暂地出现。图注：目前，反粒子通常都只能在高能物理实验室中产生并短暂地存在。神秘的马约拉纳费米子在1937年，意大利理论物理学家埃托雷·马约拉纳（Ettore Majorana）在研究狄拉克方程（这是一个描写费米子基本运动的方程）时，创新性地将其分解成为了电荷共轭不变的两部分，从而将其改写成为“马约拉纳方程”。他籍此预言，可能存在一种人们未曾发现的费米子，这种费米子的反粒子就是其自身——从这个意义上讲，这种费米子是一个纯正的“天使粒子”，完全没有“恶魔”的那一面。人们将这种未被发现的粒子称为“马约拉纳费米子”，但80多年过去了，人们依然没能发现这种神秘的粒子。图注：著名意大利物理学家埃托雷·马约拉纳马约拉纳任意子又是什么？由于科学家们迟迟无法探测到马约拉纳费米子，所以现在不少研究人员将目光转向了具有这种粒子特性的 “准粒子”。所谓准粒子，是指微观粒子在运动的过程中出现相互影响时，可以将其整体的某些运动模式等效为一种粒子的作用。这在凝聚态物理学中是个重要的概念，在各种材料科学中都起到了非常重要的作用。比如，在半导体物理学中，人们常说的“空穴”其实就是一种准粒子。本来，半导体中参与导电过程的只有电子，其中一部分贡献会来自于价带电子运动，但这种价带电子的运动可以等效为与空位数相同的正电荷的反向运动，因此物理学家们就等效出了“空穴”这种准粒子，用它来对半导体的电学特性进行分析，非常方便。图注：人们常说的“空穴”，就是对半导体价带电子运动等效而来的一种准粒子。本次科学家们在铁基超导体中发现的马约拉纳零能模（即马约拉纳任意子）就是一种具有马拉约纳费米子特性的准粒子。用最简单方法找到最纯粹的马约拉纳任意子在本次研究中，中国科学家利用自主设计、集成研制的超高真空-极低温-强磁场-扫描隧道显微镜-分子束外延-低能电子衍射联合系统，对美国布鲁克海文国家实验室顾根大研究组提供的高质量超导块样品进行了一系列探测工作，并与美国麻省理工学院的科学家进行了理论合作。研究发现，在该样品的磁通涡旋中心“点”存在不随空间位置劈裂的零能束缚态；而变温以及变磁场的数据最终确定，位于磁通涡旋中心的束缚态即为马约拉纳任意子，并且不与其他的准粒子态混合，马约拉纳成分纯度很高。在以往的同领域研究中，通常需要较为复杂的复合材料结构以及氦3营造的极低温环境，成本很高。本次中科院研究团队用新型铁基超导材料构建了更为简单的实验环境，同时研究团队还发现，这些马约拉纳任意子不仅纯度高，还可以在磁场小于6特斯拉、温度高达4K的环境中稳定存在，这些都使本次发现的实用性大大增加。图注：本次研究于8月16日发表在权威学术期刊《科学》杂志。该发现或助力高性能拓扑量子计算机研发既然是“准粒子”，那么为什么物理学家们会对马约拉纳任意子如此关注呢？原因在于这种准粒子可以用来构建稳定而通用的量子计算机。“量子计算机由量子比特构成，量子比特有很多种方法，现在比较通用的方法是由超导线路去构建，但是这方法有个缺点，就是稳定性不好，在环境中容易出错”，本次联合研究团队的带头人之一，中科院物理研究所教授丁洪解释说。他表示，要提高量子计算机的稳定性与通用性，可以用高容错的拓扑量子比特来进行构建，而现在不少科学家都认为，马约拉纳任意子是实现拓扑量子比特的理想材料。图注：本次在简单结构中发现高温度高纯度马约拉纳任意子，或对未来构建稳定的高容错量子计算机起到极大帮助“我们是第一次在单一块体超导材料中发现高纯度的马约拉纳任意子，在相对高的温度下实现，不容易受到其他准粒子的干扰”，本次联合研究团队的带头人之一，中科院院士高鸿钧说道。他表示本次发现马约拉纳任意子的实验具有高纯度、高温度且结构简单的特点，更容易实现对马约拉纳任意子的编织操纵，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意义。同时他还表示：“这也预示着在其他的多能带高温超导体里也可能存在马约拉纳任意子，为马约拉纳物理的研究开辟新的方向。”作者 | 孟庆宇 中科院物理所博士文章由“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自“科普中国”