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张首晟院士宣布天使粒子—Majorana费米子的发现,使构造稳固的拓扑量子计算机成为可能

孙榕泽 · 2017-07-21
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Majorana费米子

近日,斯坦福大学教授、中科院外籍院士、美国科学院院士、丹华资本创始人张首晟先生在北京举办记者招待会宣布了“天使粒子”——手性Majorana费米子的发现,为物理学界整整80年的探索画上了完美句号。该发现刊登于世界最权威学术期刊之一《科学杂志》上。

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Majorana费米子,其他还包括希格斯波色子(也被称为上帝粒子,最近在欧洲粒子加速器中被发现),引力子, 磁单极和暗物质。

在我们认知中往往有正就有负:有正数必有负数,有阴必有阳,有善必有恶,有天使必有恶魔。1928年狄拉克预言:宇宙中每一个基本粒子必然有相对应的反粒子 。之后科学家在宙射线中发现的负电子的反粒子正电子,目前正电子被广泛应用到人类生活之中,医学影像技术PET (Positron Emission Tomography), 正电子发射断层扫描可以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,根据爱因斯坦质能公式,它们会相互湮灭从而将所有质量释放出成能量。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 年意大利理论物理学家Ettore Majorana猜测有这样神奇粒子的存在,也就是Majorana费米子。从那开始,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。而神秘的是,Majorana本人在文章“泄露天机”之后不久就失踪了,再也没有人找到他。

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Majorana费米子,继而指出哪些实验信号能够作为铁证如山的证据 :他们预言手性Majorana费米子存在于一种由量子反常霍尔效应薄膜和普通超导体薄膜组成的混合器件中。在以往的量子反常霍尔效应实验中,随着调节外磁场,反常量子霍尔效应薄膜呈现出量子平台,对应着1,0,-1倍基本电阻单位。当把普通超导体置于反常量子霍尔效应薄膜之上时,临近应使之能够实现手性Majorana 费米子,相应的实验中会多出全新的量子平台 ,对应1/2倍基本电阻单位。这半个基本电阻来源于Majorana费米子没有反粒子,所以某种意义上它可以视为半个传统粒子。所以,这多出来的半整数量子平台就提供了有力的证据,证明在时空中传播的手性Majorana费米子的存在。 

根据这一理论预言,来自UCLA(由何庆林,王康隆教授领导)和UC Irvine(由夏晶教授领导)的两个实验团队与Stanford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Majorana费米子,他们令人信服的探测到了张首晟团队预言的半整数量子平台,随后的强磁场实验与三端电阻测量进而有力的排除了其他可能的实验噪声与假象。这一重大发现已发表在科学杂志上。

类比Dan Brown描述正反粒子湮灭爆炸的小说《天使与魔鬼》,张首晟教授将这一新发现手性Majorana费米子称为天使粒子,“我们发现了一个完美的世界,那里只有天使,没有魔鬼。”

Majorana费米子的一大重大意义在于可以使量子信息储存变得稳定,使构造稳固的拓扑量子计算机成为可能。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,远比运用穷举法计算的经典计算机更有效。然而关键问题在于,量子比特非常脆弱,其信息难以存储,微弱的环境噪声都能够引起其量子特性的毁灭。

Majorana 费米子便提供了一种绝妙的可能:把一个量子比特“拆成”两半,使其信息能够存储在两个距离十分遥远的Majorana费米子上。传统的噪声极其难以同时以同样的方式影响这两个Majorana费米子,存储在远离的两个Majorana费米子上的拓扑量子比特本质上极其稳固,这样一来量子储存变得稳定。量子计算方面,张首晟团队所提出的器件同时还是二维体系,从而允许 Majorana费米子的纠缠和编辫,使得有效的量子计算成为可能。

张首晟教授曾师从杨振宁,他回忆起在学生时代上杨振宁先生课时曾被“磁单极”深深吸引。关于磁单极,张首晟教授也在2010年曾在《科学杂志》发表文章,提出寻找磁单极的方案。

从基本科学发现到技术应用需要的时间往往是不确定的,对此张首晟教授表示,基本科学发现总会造福于人类,但需要耐心等待。天使粒子的发现对建造稳定的拓扑量子计算机具有革命性意义,从而为解决当下人类面对的一些难以解决的问题带来突破式发展。


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