量子計算機，事關人類對未來的想象，近些年以來，既是科學研究的最前沿，也是各國競相研發的焦點。
一支由中國科學家領導的團隊給新型量子計算機的研製帶來了更多可能性。8月17日在線出版的《科學》雜誌上，報道了中國科學院物理研究所/中國科學院大學高鴻鈞和丁洪領導的聯合研究團隊的一項新發現，他們首次在超導塊體中觀察到了馬約拉納零能模，即馬約拉納任意子。
在中科院院長白春禮看來，這一成果“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的意義”。
失落的預言
1937年，意大利理論物理學家埃託雷·馬約拉納預言了一種自旋為1/2的中性費米子，其反粒子就是它本身。
不料就在次年，馬約拉納在登上一艘船後便離奇失蹤。這名年輕天才的突然消失，讓他的這個預言成為一樁科學懸案。
之後，科學家們將這種神奇的粒子叫做馬約拉納費米子，有些人也猜測，有著“鬼粒子”之稱的中微子，有可能就是馬約拉納費米子。
然而，要證明這個猜測實在是太難了，儘管科學家做了各種努力，但至今還沒有實驗能夠證實這一點。
“在真實宇宙中證明馬約拉納費米子的存在，大概比找到暗物質的概率還要小。”中科院物理所研究員、國家“千人計劃”入選者丁洪坦言。
但這並沒能阻止物理學界對它的痴迷，以及瘋狂的尋找。因為馬約拉納費米子所具備的一個特性，很可能改寫人類歷史。
量子計算機的Plan B
相較於傳統計算機，量子計算機由於具有更快的運行速度和更大的計算量而被寄予厚望。但是，當前的量子計算機面臨的一大問題就是穩定性差，容易出錯。
這是因為傳統的量子比特特別容易受到外界環境的干擾，從而導致計算的失敗。
為了保護這個量子比特不受干擾，就需要給它配備很多個量子比特當“護駕”，這就讓製造量子計算機的難度、成本和工作量急劇上升。
在這種情況下，馬約拉納費米子的神奇特性讓科學家看到了新的希望。
當馬約拉納費米子被束縛在一“點”上時，它就會“分裂”，變成兩個馬約拉納任意子。馬約拉納任意子具有奇特的非阿貝爾統計，可以用來構造拓撲量子比特，應用於自容錯的量子計算機。
“馬約拉納任意子就像是組成拓撲量子比特的‘磚塊’。”國科大卡弗裡理論科學研究所所長張富春說，基於馬約拉納任意子的拓撲量子計算機對環境局部擾動有很強的抗干擾能力，自身帶有高容錯的秉性。“因此，誰要是能用馬約拉納任意子做出拓撲量子比特，將是非常重大的一個貢獻。”
但問題是，人們應該到哪裡去尋找馬約拉納任意子呢？
固體宇宙的“拯救”
在從事凝聚態物理學研究的科學家眼中，固體材料中也存在著一個“宇宙”。在這裡，億萬個電子通過相互作用，形成決定材料性質的“準粒子”。而這些準粒子與我們真實宇宙中的基本粒子可能會遵循相同的物理規律。
當然，準粒子與基本粒子也是有些區別的。“基本粒子是可以獨立存在的；而準粒子不能獨立存在，只能存在於一定的環境中。”北京大學物理學院量子材料科學中心副主任杜瑞瑞告訴《中國科學報》記者，“比如一杯水裡有些氣泡，這些氣泡就是準粒子，你不能把氣泡拿出來。離開這杯水，氣泡就不能存在了。”
近年來的理論研究表明，在凝聚態物質中也可能存在遵守馬約拉納性質的準粒子，也就是“固體宇宙”中的馬約拉納費米子。
這種令人興奮的可能性，讓在凝聚態物質的多種系統中尋找馬約拉納費米子成為國際科技界激烈競爭的戰略制高點之一。
此前，國內外等多個研究團隊都宣稱找到了馬約拉納任意子或者費米子的證據。然而，這些馬約拉納任意子/費米子存在的體系都需要構造異質結構，其工藝複雜，並且需要極低溫條件（小於1開爾文）。
在此次研究中，中科院院士高鴻鈞研究組與丁洪研究組的科研人員，利用高鴻鈞組自主設計、集成研製的探測系統進行了系列探索，最終首次在鐵基超導體中找到了成分純度很高的馬約拉納任意子。進一步實驗發現，該馬約拉納任意子在6特斯拉以下的磁場及4開爾文以下的溫度中都能穩定存在。
“隱形冠軍”這樣煉成
這是第一次，人們在單一塊體超導材料、相對高的溫度中發現高純度的馬約拉納任意子，國際物理學界對這項由中科院/國科大領銜的研究給予了高度評價。
諾貝爾物理學獎得主、美國科學院院士安東尼·詹姆斯·萊格特說：“你們的實驗比以前的許多實驗更清晰，我相信它是第一個可信的證明超導體中擁有馬約拉納粒子的證據。”
斯坦福大學講席教授、美國科學院院士張首晟說：“今天丁洪和高鴻鈞教授共同領導的聯合實驗小組宣佈了振奮人心的新發現……這項發現科學意義十分重大，大大推動了鐵基超導的研究與馬約拉納費米子的研究。”
“多年來實驗物理學家一直在瘋狂地搜尋它在真實材料中的蹤跡。這次在鐵基超導材料表面觀察到馬約拉納零模的特徵信號，有很高的穩定度，是一個重要的發現。”麻省理工學院講席教授、美國科學院院士文小剛認為，這項研究使鐵基超導材料有可能應用於構建對環境干擾免疫的拓撲量子計算機。
多年來，中科院在解決國家“卡脖子”問題和事關長遠的“心腹之患”上深耕不輟。白春禮認為，在鐵基超導體中發現馬約拉納任意子，是中科院“率先行動”計劃實施以來，面向國際科技前沿，加強頂層設計，科學家聯合攻關，取得重大科學成果的範例。
白春禮此言不虛。為了做好實驗，研究組的一名博士生今年春節沒有回家，他的媽媽就來到北京，團隊在做實驗，這位媽媽給他們做飯，大家一起度過了一個非同尋常的新年。
此外在實驗過程中，團隊還自行研製了超快光學—掃描隧道顯微系統，在高精尖科研儀器裝備的自主研發上，逐漸具備了能力。
也許，除了為馬約拉納物理研究開闢新的方向外，這項成果所帶來的無形影響，將更加深遠。
相關論文信息：DOI：10.1126/science.aao1797
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