前言

量子计算实际上就是操控一些具有特殊状态的粒子进行交互并产生量子计算结果的过程。某些我们前所未闻的物质形态可能对形成粒子的特殊状态非常有利，由

马约拉纳费米子提供的拓扑超导态就是其中一种。

拓扑超导态

除了固态、液态、气态、等离子态之外，物理学家们最近又发现了一种新的物质状态——这一突破为提高电子设备的存储能力和增强量子计算的性能提供了希望。

这种新的物质状态被称为：拓扑超导态。这种新的拓扑态可以用于加速量子计算及其存储速度。

在arXiv的一篇论文中报道这一发现的是在布法罗大学的Igor Zutic和韦恩州立大学的Alex Matos-Abiague。他们的工作主要集中在量子计算方面——量子计算是一种可以以比传统计算更快的速率进行计算的方法。这是因为传统的计算机以0和1的形式处理数字位，而量子计算机则用量子位（量子位）表示0和1之间的任何值，从而可以以指数方式提升数据处理的容量和速度。

研究者们分析了量子态从传统状态到新的拓扑态的转变过程，并测量了这些状态之间的能量壁垒。他们通过直接测量控制新拓扑超导相的有序参数中涉及这种转换的特征完成了对理论的完善。

马约拉纳费米子是关键

在研究中，他们主要专注于对马约拉纳粒子的研究，这种粒子是其自身的反粒子——具有相同的质量，但电荷相反。科学家们看到了马约拉纳粒子的价值，因为它们有可能用于将量子信息存储在一个特殊的计算空间中，在这个空间中量子信息可以免受环境噪声的影响。然而，现已发现的费米子当中并不存在马约拉纳粒子（又被称为马约拉纳费米子）。因此，研究人员试图通过设计某种平台——某种新的材质，即某种“

拓扑超导态”物质， 来实现此种计算。

马约拉纳费米子是一种自身即为反粒子的费米子。 1937年，艾托尔·马约拉纳（Ettore Majorana）提出了这种粒子假设。该术语有时用于指非“狄拉克费米子”，后者描述的费米子不是他们自己的反粒子。

除中微子外，已知所有标准模型费米子都表现为低能量的狄拉克费米子（在电弱对称性破坏后），并且都不是马约拉纳费米子。 中微子的性质尚未确定，它们可能是狄拉克或马约拉纳费米子。

在凝聚态物理学中，准粒子激发可以被认为是束缚的马约拉纳费米子的表现 ——几个单个粒子的集体运动，而不是单个粒子，并且它们由非阿贝尔统计决定。

虽然找不到单个马约拉纳费米子，但可以在多个粒子的集体运动中找到类似马约拉纳费米子的特性，因此构建这种多个粒子的集体运动以模拟马约拉纳费米子就成为了操控和利用马约拉纳费米子的关键。

马约拉纳费米子可以在零能量下与缺陷形成束缚，然后束缚形成的组合态被称为马约拉纳束缚态或马约拉纳零模式,这个名称比马约拉纳费米子更合适（尽管在文献中并不总是这样区分），因为这些物质不再遵循费米统计。 相反，马约拉纳束缚态是非阿贝尔任意子的一个例子：交换操作可以改变系统的状态，其方式仅取决于交换的执行顺序。马约拉纳束缚态所拥有的非阿贝尔统计特性允许其被用作拓扑量子计算机的构建单元。

而前述在二维平台中物质拓扑超导态的新发现为构建可扩展的拓扑量子比特铺平了道路——因为我们可以更容易得到一堆马约拉纳费米子——在这种状态中不仅可以存储量子信息，还可以进行无误差的量子态的操纵。量子计算又有福了。