世界上是否存在一種粒子，它的反粒子就是自己本身？

這個問題在提出 80 余年后，終于得到了肯定的回答。

2016 年，中美科學(xué)家首次聯(lián)合捕獲到了這種粒子——「馬約拉納費米子」（Majorana fermion）。

近日，麻省理工學(xué)院物理系、印度理工學(xué)院物理系、加州大學(xué)河濱分校物理學(xué)與天文學(xué)系、香港科技大學(xué)物理學(xué)系的一組研究人員更是在我們都不陌生的金屬「金」中觀察到了馬約拉納費米子，相關(guān)論文于 2020 年 4 月 6 日發(fā)表于（PNAS）。

鑒于其獨特的屬性，馬約拉納費米子是制造量子計算機的完美選擇之一。因此，這一發(fā)現(xiàn)無疑推動了容錯量子計算機的研發(fā)，向人類量子計算之夢的實現(xiàn)又邁進了一步。

物理學(xué)中，能夠以自由狀態(tài)存在的最小物質(zhì)組成部分便是粒子。粒子又主要分為兩派——費米子（fermion，如電子、質(zhì)子）和玻色子（Boson，如光子、介子）。

其中，費米子即一切自旋（Spin）為 1/2 的粒子，這一概念最早由曾于 1933 年與薛定諤共同獲得諾貝爾物理學(xué)獎的量子力學(xué)奠基人之一 Paul Dirac 提出。Paul Dirac 認為，每個費米子在宇宙中都存在著一個與之相對的反粒子，二者就像脾氣完全相反的一對雙胞胎一樣，二者產(chǎn)生的能量甚至可能讓它們瞬間湮滅。

不過，1937 年，意大利物理學(xué)家 Ettore Majorana 預(yù)言，存在一種特殊的費米子，它們的反粒子和自己的長相、脾氣都完全一樣，也就是說，它們的反粒子就是自己本身，在量子計算中可被用來形成穩(wěn)定的比特。

后來，這種特殊的費米子被命名為“馬約拉納費米子”（Majorana fermion，因 Ettore Majorana 得名），為便于區(qū)分，傳統(tǒng)認知里的費米子通常被稱為“狄拉克費米子”（Dirac fermion，因 Paul Dirac 得名）。

然而，此后的 80 多年里，馬約拉納費米子始終只是一個概念而已，令物理學(xué)家感到頭痛。

具體來講，想要證實馬約拉納費米子存在的猜想，需要觀察到 1937 年 Ettore Majorana 提出的一種名為「雙 β 衰變」（double-β decay）的現(xiàn)象。

經(jīng)過幾十余年的努力，1987 年，加州大學(xué)爾灣校區(qū) Michael Moe 團隊最早在實驗室成功觀測到硒-82 的雙 β 衰變。

此后，不少實驗都成功觀測到其他同位素的尋常雙 β 衰變，但無一能為證實上述猜想提供正面的結(jié)果。

終于，2016 年 6 月 22 日，上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)、南京大學(xué)與美國麻省理工學(xué)院團隊合作，率先觀測到了在拓撲超導(dǎo)體渦旋中存在馬約拉納費米子的重要證據(jù)。

這一成果意味著人類在量子物理學(xué)領(lǐng)域取得了重大突破，同時也表明，在固體中實現(xiàn)拓撲量子計算成為可能。

「量子優(yōu)勢」的說法我們可能已經(jīng)不陌生了，它是指量子計算機在處理任務(wù)時能夠完虐最強的經(jīng)典超級計算機。

但事實上，正如中國科學(xué)院院士、量子計算泰斗姚期智教授在第五屆騰訊 WE 大會上演講時所說：

目前我們已經(jīng)進入了一個能看到量子計算機將要做出來的時間段——即最后一里路。不過，這「最后一里路」，不僅非常艱難，而且耗時也會很長。

雷鋒網(wǎng)了解到，量子計算難以實現(xiàn)的原因之一就在于“噪聲”。從量子比特中的熱量或從更深層的量子物理過程中產(chǎn)生的隨機波動，將可能導(dǎo)致計算失敗。

面對這種噪聲，研究人員并非沒有給出解決方案，目前主要有兩種方式：

多數(shù)決定法：數(shù)一數(shù)哪一種比特（0 或 1）比較多，多的那一種應(yīng)該是正確的；

宇稱查驗：查驗相鄰比特的取值是否相同，不同則意味著其中一個出錯了。

在這里，便出現(xiàn)了一個「容錯閾值」的概念，即量子糾錯能達到預(yù)期效果的前提——宇稱查驗過程中產(chǎn)生的錯誤不會使得錯誤數(shù)量增加。

不過，糾錯會大幅增加計算成本，原因在于計算能力都被用來糾錯，而不是運行算法。

因此，研究人員可以說是另辟蹊徑，提出了新方案，主動“適應(yīng)噪聲”，即容錯量子計算。而實現(xiàn)容錯量子計算需要錯誤率明顯低于閾值（0.1% 左右）以及百萬以上的量子比特。就目前而言，這還是無法實現(xiàn)的。

而在上述論文中，研究團隊提到，他們在金中發(fā)現(xiàn)的馬約拉納費米子，適用于標準的納米制造技術(shù)，可以用于容錯量子計算機的量子位構(gòu)建塊，因此有望推動容錯量子計算的發(fā)展。

具體來講，研究團隊設(shè)計、制造了一種材料系統(tǒng)，該系統(tǒng)由生長在超導(dǎo)材料釩上的約為 4 納米厚的金納米線組成，并分布有細小的硫化銪鐵磁體。研究團隊在掃描到硫化銪附近的表面時，發(fā)現(xiàn)了金表面上信號尖峰能量為零。

根據(jù)理論，這些現(xiàn)象只能由馬約拉納費米子對產(chǎn)生。

其實這一發(fā)現(xiàn)也并不是偶然，論文合著者之一 Patrick Lee 大概 10 年前就已經(jīng)萌生出了或許能在常見金屬材料中發(fā)現(xiàn)馬約拉納費米子的想法。

而這一想法背后的原因在于，雖然科學(xué)家們長期以來一直在半導(dǎo)體中尋找馬約拉納費米子，將半導(dǎo)體與超導(dǎo)體結(jié)合在一起，為半導(dǎo)體賦予超導(dǎo)性能，半導(dǎo)體中的粒子分裂后即能形成馬約拉那費米子對。但實際上，金屬與超導(dǎo)體相鄰時也會具有超導(dǎo)性能。

對此，另一位論文合著者 Jagadeesh Moodera 表示：

值得注意的是，我們的材料制備方法比傳統(tǒng)的‘基于半導(dǎo)體生成量子位’的方法更為穩(wěn)定，我們的材料系統(tǒng)是一個將金放置在鐵磁體與超導(dǎo)體間的‘三明治’結(jié)構(gòu)。從另一個角度來說，這也使其在造價上具有更大的商業(yè)化優(yōu)勢。

參考

https://news.mit.edu/2020/first-majorana-fermion-metal-quantum-computing-0410

https://www.pnas.org/content/early/2020/04/03/1919753117/tab-article-info

https://www.guancha.cn/Science/2016_06_22_365052_s.shtml