中国科学家成功捕捉80多年来寻觅未果的神秘粒子

贾金锋团队在实验室捕获马约拉纳费米子。（上海交通大学供图）

全球超级计算机500强刚刚发布，按照经典计算方式，传统计算机的运算速度已接近物理极限，若将它们比作自行车速度，那么下一代量子计算机就是飞机的速度。北京时间22日，国际顶级物理学刊《物理评论快报》率先在线发表上海交通大学贾金锋及其合作者的研究成果，他们通过巧妙的实验设计，捕捉到了一种物理学家搜寻80年的神秘粒子——马约拉纳费米子。这种物质世界的基本粒子，正是未来制造量子计算机的候选对象之一。

国家“千人计划”学者、中科院物理所研究员、凝聚态物理国家实验室首席科学家丁洪在沪告诉记者，这或许就是人类跨入量子计算时代迈出“从0到1”最艰难的一大步，比“1到1万”更大。

构成物质最小、最基本的单位叫做“基本粒子”，如电子、质子等都属于粒子世界中的费米子家族成员。一般认为，每一种粒子都有它的“反粒子”，以物理学家费米命名的费米子也有反粒子。来自复旦大学的教育部“长江学者”资剑介绍，1937年意大利物理学家马约拉纳预言，自然界中可能存在一类特殊的费米子，其反粒子不仅长相一样，脾气也完全相同。两兄弟站在一起就像照镜子，这种费米子就被称为“马约拉纳费米子”。“神秘的是，马约拉纳在他32岁时就离奇失踪，就像马约拉纳费米子一样，一直消失于人们眼前。”

今年，中国科学家终于先捕获了神秘粒子存在的踪迹。上海交大贾金锋研究组与浙江大学许祝安、张富春研究组，南京大学李绍春研究组及美国麻省理工学院傅亮教授等开展联合研究，率先在拓扑超导体涡旋中观测到了马约拉纳费米子的重要证据。贾金锋教授表示，物理学上把传统意义上某种粒子的某些集体行为表现，也视为一个粒子的行为，即准粒子。“粒子和准粒子的关系就像球员和球队的关系：一支足球队中每个球员可以看作传统意义上的粒子，球员间配合可以看作是粒子之间非常复杂的相互作用，球队在整体上则表现出统一风格。“我们所发现的马约拉纳费米子是一种准粒子，它同样符合马约拉纳的预言。”

据介绍，迄今没有制造出真正意义上的量子计算机，其中重要原因在于目前用于量子计算粒子的量子态并不稳定，电磁干扰或物理干扰可以轻松打乱它们本应进行的计算。而马约拉纳费米子的反粒子就是自己本身，状态非常稳定。专家认为，这些属性或发展成为量子计算机的物质基础和关键技术，从而帮助人类敲开拓扑量子计算时代大门，或将引发新一轮电子技术革命。

与普通计算机通过“0、1变化”的二进制方式处理数据不同，量子计算机基于量子物理的机理处理数据，处理速度相当惊人，可轻易解决普通计算机需要耗费巨大计算资源才能勉强处理的问题。中国科协副主席、中科院上海微系统所王曦院士表示，目前十几座超级计算机就需要消耗一座秦山核电站的电能，其计算模式和计算速度的“天花板”都有待量子计算来突破。记者　徐瑞哲

专家点评

美国科学院院士、麻省理工学院讲席教授派屈克·李：实验数据定性地与理论预期符合，这强烈说明马约拉纳态的存在。这个工作打开了一个研究马约拉纳物理的新窗口，一定会带来更多的理论和实验进展。

清华大学副校长薛其坤院士：上海交大研究团队不仅从实验上首次证明了马约拉纳粒子模的存在，也使得利用它进行拓扑量子计算成为可能。

“科学突破奖”得主、拓扑理论新星、麻省理工学院教授傅亮：在非常小的磁场下发现了马约拉纳费米子，这说明拓扑绝缘体-超导体异质结是一个非常可靠的材料平台，并可能具有器件应用前景，毫无疑问将在这个激动人心的领域激发更多工作。