中國科學家成功捕捉80多年來尋覓未果的神秘粒子

賈金鋒團隊在實驗室捕獲馬約拉納費米子。（上海交通大學供圖）

全球超級計算機500強剛剛發布，按照經典計算方式，傳統計算機的運算速度已接近物理極限，若將它們比作自行車速度，那么下一代量子計算機就是飛機的速度。北京時間22日，國際頂級物理學刊《物理評論快報》率先在線發表上海交通大學賈金鋒及其合作者的研究成果，他們通過巧妙的實驗設計，捕捉到了一種物理學家搜尋80年的神秘粒子——馬約拉納費米子。這種物質世界的基本粒子，正是未來制造量子計算機的候選對象之一。

國家“千人計劃”學者、中科院物理所研究員、凝聚態物理國家實驗室首席科學家丁洪在滬告訴記者，這或許就是人類跨入量子計算時代邁出“從0到1”最艱難的一大步，比“1到1萬”更大。

構成物質最小、最基本的單位叫做“基本粒子”，如電子、質子等都屬于粒子世界中的費米子家族成員。一般認為，每一種粒子都有它的“反粒子”，以物理學家費米命名的費米子也有反粒子。來自復旦大學的教育部“長江學者”資劍介紹，1937年意大利物理學家馬約拉納預言，自然界中可能存在一類特殊的費米子，其反粒子不僅長相一樣，脾氣也完全相同。兩兄弟站在一起就像照鏡子，這種費米子就被稱為“馬約拉納費米子”。“神秘的是，馬約拉納在他32歲時就離奇失蹤，就像馬約拉納費米子一樣，一直消失于人們眼前。”

今年，中國科學家終于先捕獲了神秘粒子存在的蹤跡。上海交大賈金鋒研究組與浙江大學許祝安、張富春研究組，南京大學李紹春研究組及美國麻省理工學院傅亮教授等開展聯合研究，率先在拓撲超導體渦旋中觀測到了馬約拉納費米子的重要證據。賈金鋒教授表示，物理學上把傳統意義上某種粒子的某些集體行為表現，也視為一個粒子的行為，即準粒子。“粒子和準粒子的關系就像球員和球隊的關系：一支足球隊中每個球員可以看作傳統意義上的粒子，球員間配合可以看作是粒子之間非常復雜的相互作用，球隊在整體上則表現出統一風格。“我們所發現的馬約拉納費米子是一種準粒子，它同樣符合馬約拉納的預言。”

據介紹，迄今沒有制造出真正意義上的量子計算機，其中重要原因在于目前用于量子計算粒子的量子態并不穩定，電磁干擾或物理干擾可以輕松打亂它們本應進行的計算。而馬約拉納費米子的反粒子就是自己本身，狀態非常穩定。專家認為，這些屬性或發展成為量子計算機的物質基礎和關鍵技術，從而幫助人類敲開拓撲量子計算時代大門，或將引發新一輪電子技術革命。

與普通計算機通過“0、1變化”的二進制方式處理數據不同，量子計算機基于量子物理的機理處理數據，處理速度相當驚人，可輕易解決普通計算機需要耗費巨大計算資源才能勉強處理的問題。中國科協副主席、中科院上海微系統所王曦院士表示，目前十幾座超級計算機就需要消耗一座秦山核電站的電能，其計算模式和計算速度的“天花板”都有待量子計算來突破。記者　徐瑞哲

專家點評

美國科學院院士、麻省理工學院講席教授派屈克·李：實驗數據定性地與理論預期符合，這強烈說明馬約拉納態的存在。這個工作打開了一個研究馬約拉納物理的新窗口，一定會帶來更多的理論和實驗進展。

清華大學副校長薛其坤院士：上海交大研究團隊不僅從實驗上首次證明了馬約拉納粒子模的存在，也使得利用它進行拓撲量子計算成為可能。

“科學突破獎”得主、拓撲理論新星、麻省理工學院教授傅亮：在非常小的磁場下發現了馬約拉納費米子，這說明拓撲絕緣體-超導體異質結是一個非常可靠的材料平臺，并可能具有器件應用前景，毫無疑問將在這個激動人心的領域激發更多工作。