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揭开马约拉纳费米子神秘“真身”

来源:未知 时间:2018-08-23 16:54

近日,中国科学院物理研究所/中国科学院大学高鸿钧和丁洪领导的联合研究团队宣布:首次在超导块体中观察到了马约拉纳费米子。这项发现将大大推动马约拉纳物理的研究,对构建高度稳定的量子计算机具有重要意义。

相比以往的探索,中国科学家此次发现的马约拉纳费米子纯净度更高,能在相对更高的温度下得以实现,而且材料体系更加简单。“这对构建稳定的、高容错、可拓展的拓扑量子计算机具有极其重要的意义。”中国科学院院长白春礼称。日前,相关研究成果已在《科学》杂志在线发表。

神奇的马约拉纳费米子

当马约拉纳费米子以准粒子的形式出现在固体材料表面时,会变成“马约拉纳任意子”,可以用来构造拓扑量子比特,应用于自容错的拓扑量子计算机

人类文明的进步有赖于对物质的进一步认识。众所周知,我们所在的宇宙是由物质组成的,构成物质最小、最基本的单位是基本粒子。

根据现有的认知,按照其占据能量状态的不同,科学家们把基本粒子分为玻色子和费米子两大家族。玻色子负责传递相互作用力,费米子则负责构成物质。我们身边的太阳、高山、河流等物质,都由名叫费米子的基本粒子组成。

1928年,英国理论物理学家保罗·狄拉克大胆预测:宇宙中每个基本的粒子必然有相对应的反粒子,当粒子和反粒子相撞时会相互湮灭,进而释放出能量。1937年,意大利理论物理学家埃托雷·马约拉纳却提出另一设想:自然界应该存在正反粒子相同的费米子,其反粒子就是它本身。

这种神奇的费米子,就是人们后来所说的马约拉纳费米子。有些人猜测,有着“鬼粒子”之称的中微子,是马约拉纳费米子的“最佳嫌疑人”。然而80多年过去,这位令无数科学家“倾倒”的“神秘人”,迟迟没有现出“真身”。

“在真实宇宙中证明马约拉纳费米子的存在,大概比找到暗物质的概率还要小。”中国科学院物理所研究员丁洪坦言。

既然如此,缘何还要“执迷不悟”?丁洪说,如果马约拉纳费米子的存在一旦被证实,这将是继发现“上帝粒子”之后,又一个诺贝尔奖级的重大发现。但驱使科学家们继续为之“疯狂”的更重要原因则是:当马约拉纳费米子以准粒子的形式出现在固体材料表面时,就会变成马约拉纳任意子(一种量子态),可以用来构造拓扑量子比特,应用于自容错的拓扑量子计算机。

在2017年首次发现了马约拉纳费米子存在证据的着名华裔物理学家、美国斯坦福大学教授张首晟参考畅销书《天使与魔鬼》,给这个神秘粒子起了个别名——“天使粒子”。书中,一个秘密组织计划用定时炸弹炸毁梵蒂冈,而这颗炸弹的威力来自于物质与反物质湮灭产生的反应。“但今天,我们找到了一个没有反粒子的粒子,一个只有天使、没有魔鬼的完美世界。”张首晟称。

换个“鱼塘”捕获准粒子

如果说宇宙是一个大“鱼塘”,那么各种粒子就藏在里面。具体到马约拉纳任意子,中国科学家发现了一个合适的“鱼塘”——新型超导块体

茫茫宇宙,如何觅其“芳踪”?如果说宇宙是一个大“鱼塘”,那么各种粒子就藏在里面。一般来说,有两种寻找路径,一是先发现再研究形成理论,比如电子、质子、中子;二是通过合理的推理预言宇宙中应该存在某种粒子,然后设计方案寻找,比如中微子就是这样发现的。

具体到马约拉纳任意子,除了升级“抓捕”装备,还可以考虑换个“鱼塘”。这个“鱼塘”就是科学家们常说的固体材料,比如金属、非金属、超导体等。固体材料的内部结构为粒子们的形成提供了丰富的环境,但固体材料不同,提供的环境也不同,最终形成的准粒子会大不一样。

什么是准粒子?“有些准粒子可以看作宇宙中真实粒子在固体中的影子。它们和真实粒子遵循同样的物理规律,只是行动受限,只能待在固体材料中。”丁洪说。

北京大学物理学院量子材料科学中心副主任杜瑞瑞打了个比方:一杯水里有些气泡,这些气泡就是准粒子,但你不能把气泡拿出来,因为离开这杯水,气泡就不存在了。换句话说,基本粒子可以独立存在,而准粒子不能,它只能存在于一定的环境中。

对此,科学家们需要做的便是寻找合适的“鱼塘”,并在合适的温度、压力、磁场之下,创造出想要寻找的准粒子。

在成千上万的已有“鱼塘”中,中国科学家发现了一个合适的“鱼塘”——新型超导块体。此次,高鸿钧和丁洪领导的联合研究团队便是在新的块体超导材料体系这个“鱼塘”中,发现了马约拉纳准粒子。

“此前也有研究团队宣称发现了马约拉纳准粒子,但其‘鱼塘’制作太复杂,条件要求太苛刻,而且观测到的结果也不理想。”丁洪表示。

有望推动拓扑量子计算机

基于马约拉纳任意子的拓扑量子计算机具有很强抗干扰能力,克服了量子计算机的弊端,因此对构建高度稳定的量子计算机具有重要意义

这一发现有何意义?

多年来,科学家一直尝试在凝聚态物质的多种系统中寻找马约拉纳费米子,这已经成为国际科技界激烈竞争的战略制高点之一。此前,美国、荷兰、中国、丹麦等多个研究团队都曾宣称找到了马约拉纳任意子或者费米子的证据。但是,他们的实验都需要构造异质结构体系,其工艺复杂,并且需要极低温的条件(小于1开尔文)。

这次,我国联合研究团队利用极低温—强磁场—扫描探针显微系统,第一次在单一块体超导材料中观测到纯度更高的马约拉纳准粒子。

“我们观测到的马约拉纳任意子不与其他的准粒子态混合,成分纯度很高。进一步实验发现,该马约拉纳任意子在强度6T以下的磁场,以及4开尔文以下的温度中,都能稳定存在。这预示着,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。”丁洪说。

张首晟表示,他的团队一年前发现的马约拉纳费米子,实验体系是由常规超导体与量子反常拓扑绝缘体构成的混合器件,并且现象在超低温的极端条件下才出现。而此次研究中采用的实验体系,许多物理性质优于混合系统,并且不需要极端的超低温条件。因此,这项发现将大大推动马约拉纳物理的研究。

在麻省理工学院讲席教授、美国科学院院士文小刚看来,多年来,实验物理学家一直孜孜以求地搜寻马约拉纳费米子在真实材料中的踪迹。这次在铁基超导材料表面观察到马约拉纳准粒子的特征信号,具有很高的稳定度,是一个重要的发现。由此,这项研究使铁基超导材料有可能应用于构建对环境干扰免疫的拓扑量子计算机。

在量子计算机中,存储和处理信息的基本单元叫量子比特,与传统计算机要么使用“0”要么使用“1”的二进制比特来开展计算不同,量子计算机使用的量子比特可以同时是“0”或“1”。这让它具备更快的运行速度,以及更大计算量的优势同时,也衍生出另外一个弊端:因受到局域环境的干扰,导致量子比特叠加态消失,从而引发计算失败。

根据学界的预测,50个量子比特的量子计算机可以在特定问题上超过世界上最强大的经典计算机,实现“量子霸权”。“而基于马约拉纳任意子的拓扑量子计算机对于环境这种局部扰动具有很强的抗干扰能力,自身带有高容错的秉性。因此,在材料中发现马约拉纳任意子,这对构建高度稳定的量子计算机具有重要意义。”中国科学院大学卡弗里理论科学研究所所长张富春表示。