中國科學家在單材料中發現馬約拉納任意子，或助力高性能量子計算機研發
圖註：本次研究的聯合帶頭人之一，中科院物理研究所丁洪研究員在介紹本次研究工作。
近期，由中國科學家領導的聯合研究團隊利用極低溫－強磁場－掃描探針顯微系統首次在鐵基超導塊體材料體中觀察到了馬約拉納任意子。這或許意味著，我們在對馬約拉納費米子准粒子的探尋上又進了一步。
但更為重要的是，本次研究採用了更加簡單的材料結構，並且能在更高的溫度下實現馬約拉納任意子，可能對未來構建穩定、高容錯、可拓展的量子計算機起到極大幫助。
費米子與其反粒子
事實上，組成我們這個世界的質子、中子和電子等粒子，都可以算作費米子，這個名稱源自於義大利的著名物理學家恩利克·費米（Enrico Fermi）。
對於費米子，著名物理學家狄拉克提出了一個描寫費米子基本運動的方程——狄拉克方程，利用這個方程，狄拉克發現所有費米子都有一個非常有趣的特性：所有費米子都存在一個與其性質幾乎完全相同，但電荷量與磁矩正好相反的「反粒子」。例如，狄拉克在1928年就預言了「正電子」的存在，這個預言在1932年被美國物理學家卡爾·大衛·安德森（Carl David Anderson）證實。後來，人們又逐漸發現了反質子、反中子等等。
圖註：所有費米子都有其反粒子，兩者的質量、自旋、平均壽命都相同，但電荷與磁矩正好相反。
這些反粒子自身都是穩定的，但是它們天生與正粒子們「水火不容」：兩者就像惡魔與天使一樣，一旦相遇，就會發生「湮滅」而消失，轉化為巨大的能量。所以，在我們目力所及的世界中，反粒子是非常少見的，它們只能在宇宙空間中孤零零地漂浮，或是在高能物理實驗室中短暫地出現。
圖註：目前，反粒子通常都只能在高能物理實驗室中產生並短暫地存在。
神秘的馬約拉納費米子
在1937年，義大利理論物理學家埃托雷·馬約拉納（Ettore Majorana）在研究狄拉克方程（這是一個描寫費米子基本運動的方程）時，創新性地將其分解成為了電荷共軛不變的兩部分，從而將其改寫成為「馬約拉納方程」。他籍此預言，可能存在一種人們未曾發現的費米子，這種費米子的反粒子就是其自身——從這個意義上講，這種費米子是一個純正的「天使粒子」，完全沒有「惡魔」的那一面。人們將這種未被發現的粒子稱為「馬約拉納費米子」，但80多年過去了，人們依然沒能發現這種神秘的粒子。
圖註：著名義大利物理學家埃托雷·馬約拉納
馬約拉納任意子又是什麼？
由於科學家們遲遲無法探測到馬約拉納費米子，所以現在不少研究人員將目光轉向了具有這種粒子特性的 「准粒子」。所謂准粒子，是指微觀粒子在運動的過程中出現相互影響時，可以將其整體的某些運動模式等效為一種粒子的作用。這在凝聚態物理學中是個重要的概念，在各種材料科學中都起到了非常重要的作用。
比如，在半導體物理學中，人們常說的「空穴」其實就是一種准粒子。本來，半導體中參與導電過程的只有電子，其中一部分貢獻會來自於價帶電子運動，但這種價帶電子的運動可以等效為與空位數相同的正電荷的反向運動，因此物理學家們就等效出了「空穴」這種准粒子，用它來對半導體的電學特性進行分析，非常方便。
圖註：人們常說的「空穴」，就是對半導體價帶電子運動等效而來的一種准粒子。
本次科學家們在鐵基超導體中發現的馬約拉納零能模（即馬約拉納任意子）就是一種具有馬拉約納費米子特性的准粒子。
用最簡單方法找到最純粹的馬約拉納任意子
在本次研究中，中國科學家利用自主設計、集成研製的超高真空-極低溫-強磁場-掃描隧道顯微鏡-分子束外延-低能電子衍射聯合系統，對美國布魯克海文國家實驗室顧根大研究組提供的高質量超導塊樣品進行了一系列探測工作，並與美國麻省理工學院的科學家進行了理論合作。
研究發現，在該樣品的磁通渦旋中心「點」存在不隨空間位置劈裂的零能束縛態；而變溫以及變磁場的數據最終確定，位於磁通渦旋中心的束縛態即為馬約拉納任意子，並且不與其他的准粒子態混合，馬約拉納成分純度很高。
在以往的同領域研究中，通常需要較為複雜的複合材料結構以及氦3營造的極低溫環境，成本很高。本次中科院研究團隊用新型鐵基超導材料構建了更為簡單的實驗環境，同時研究團隊還發現，這些馬約拉納任意子不僅純度高，還可以在磁場小於6特斯拉、溫度高達4K的環境中穩定存在，這些都使本次發現的實用性大大增加。
圖註：本次研究於8月16日發表在權威學術期刊《科學》雜誌。
該發現或助力高性能拓撲量子計算機研發
既然是「准粒子」，那麼為什麼物理學家們會對馬約拉納任意子如此關注呢？
原因在於這種准粒子可以用來構建穩定而通用的量子計算機。
「量子計算機由量子比特構成，量子比特有很多種方法，現在比較通用的方法是由超導線路去構建，但是這方法有個缺點，就是穩定性不好，在環境中容易出錯」，本次聯合研究團隊的帶頭人之一，中科院物理研究所教授丁洪解釋說。他表示，要提高量子計算機的穩定性與通用性，可以用高容錯的拓撲量子比特來進行構建，而現在不少科學家都認為，馬約拉納任意子是實現拓撲量子比特的理想材料。
圖註：本次在簡單結構中發現高溫度高純度馬約拉納任意子，或對未來構建穩定的高容錯量子計算機起到極大幫助
「我們是第一次在單一塊體超導材料中發現高純度的馬約拉納任意子，在相對高的溫度下實現，不容易受到其他准粒子的干擾」，本次聯合研究團隊的帶頭人之一，中科院院士高鴻鈞說道。他表示本次發現馬約拉納任意子的實驗具有高純度、高溫度且結構簡單的特點，更容易實現對馬約拉納任意子的編織操縱，對構建穩定的、高容錯、可拓展的未來量子計算機的應用具有極其重要意義。同時他還表示：「這也預示著在其他的多能帶高溫超導體里也可能存在馬約拉納任意子，為馬約拉納物理的研究開闢新的方向。」
作者 | 孟慶宇 中科院物理所博士
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