張首晟院士宣布天使粒子—Majorana費米子的發現，使構造穩固的拓撲量子計算機成為可能

近日，斯坦福大學教授、中科院外籍院士、美國科學院院士、丹華資本創始人張首晟先生在北京舉辦記者招待會宣布了「天使粒子」——手性Majorana費米子的發現，為物理學界整整80年的探索畫上了完美句號。該發現刊登於世界最權威學術期刊之一《科學雜誌》上。

物理學中有一份表單，囊括了那些人類夢寐以求的神秘粒子，其中就有Majorana費米子，其他還包括希格斯波色子（也被稱為上帝粒子，最近在歐洲粒子加速器中被發現），引力子， 磁單極和暗物質。

在我們認知中往往有正就有負：有正數必有負數，有陰必有陽，有善必有惡，有天使必有惡魔。1928年狄拉克預言：宇宙中每一個基本粒子必然有相對應的反粒子 。之後科學家在宙射線中發現的負電子的反粒子正電子，目前正電子被廣泛應用到人類生活之中，醫學影像技術PET （Positron Emission Tomography）, 正電子發射斷層掃描可以用於早期老年痴呆症的檢測。

當一個粒子遇上它的反粒子時，根據愛因斯坦質能公式，它們會相互湮滅從而將所有質量釋放出成能量。從此以後，宇宙中有粒子必有其反粒子被認為是永恆不變的真理。但是會不會有這樣一類沒有反粒子的粒子，或者說它們自身就是自己的反粒子？1937 年義大利理論物理學家Ettore Majorana猜測有這樣神奇粒子的存在，也就是Majorana費米子。從那開始，尋找這一神奇粒子也就成了物理學中許多領域研究工作的崇高目標。而神秘的是，Majorana本人在文章「泄露天機」之後不久就失蹤了，再也沒有人找到他。

2010到2015年期間，張首晟與其團隊連續發表三篇論文，精準預言了在哪裡能夠找到Majorana費米子，繼而指出哪些實驗信號能夠作為鐵證如山的證據：他們預言手性Majorana費米子存在於一種由量子反常霍爾效應薄膜和普通超導體薄膜組成的混合器件中。在以往的量子反常霍爾效應實驗中，隨著調節外磁場，反常量子霍爾效應薄膜呈現出量子平台，對應著1，0，-1倍基本電阻單位。當把普通超導體置於反常量子霍爾效應薄膜之上時，臨近應使之能夠實現手性Majorana 費米子，相應的實驗中會多出全新的量子平台 ，對應1/2倍基本電阻單位。這半個基本電阻來源於Majorana費米子沒有反粒子，所以某種意義上它可以視為半個傳統粒子。所以，這多出來的半整數量子平台就提供了有力的證據，證明在時空中傳播的手性Majorana費米子的存在。

根據這一理論預言，來自UCLA（由何慶林,王康隆教授領導）和UC Irvine（由夏晶教授領導）的兩個實驗團隊與Stanford大學張首晟教授的理論團隊緊密合作，最終在所提出的器件中實驗上發現了手性Majorana費米子，他們令人信服的探測到了張首晟團隊預言的半整數量子平台，隨後的強磁場實驗與三端電阻測量進而有力的排除了其他可能的實驗雜訊與假象。這一重大發現已發表在科學雜誌上。

手性Majorana費米子的發現為持續了整整80年對這一神秘粒子的搜索畫上了 圓滿的句號。類比Dan Brown描述正反粒子湮滅爆炸的小說《天使與魔鬼》，張首晟教授將這一新發現手性Majorana費米子稱為天使粒子，「我們發現了一個完美的世界，那裡只有天使，沒有魔鬼。」

Majorana費米子的一大重大意義在於可以使量子信息儲存變得穩定，使構造穩固的拓撲量子計算機成為可能。量子世界本質上是並行的，一個量子粒子能夠同時穿過兩個狹縫。所以量子計算機能夠進行高度並行的量子計算，遠比運用窮舉法計算的經典計算機更有效。然而關鍵問題在於，量子比特非常脆弱，其信息難以存儲，微弱的環境雜訊都能夠引起其量子特性的毀滅。

Majorana 費米子便提供了一種絕妙的可能：把一個量子比特「拆成」兩半，使其信息能夠存儲在兩個距離十分遙遠的Majorana費米子上。傳統的雜訊極其難以同時以同樣的方式影響這兩個Majorana費米子，存儲在遠離的兩個Majorana費米子上的拓撲量子比特本質上極其穩固，這樣一來量子儲存變得穩定。量子計算方面，張首晟團隊所提出的器件同時還是二維體系，從而允許 Majorana費米子的糾纏和編辮，使得有效的量子計算成為可能。

張首晟教授曾師從楊振寧，他回憶起在學生時代上楊振寧先生課時曾被「磁單極」深深吸引。關於磁單極，張首晟教授也在2010年曾在《科學雜誌》發表文章，提出尋找磁單極的方案。

從基本科學發現到技術應用需要的時間往往是不確定的，對此張首晟教授表示，基本科學發現總會造福於人類，但需要耐心等待。天使粒子的發現對建造穩定的拓撲量子計算機具有革命性意義，從而為解決當下人類面對的一些難以解決的問題帶來突破式發展。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！