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『科技生活快报』困扰物理学界80余年的马约拉纳费米子首次在金属中捕获到

世界上是否存在一种粒子 ， 它的反粒子就是自己本身？
这个问题在提出80余年后 ， 终于得到了肯定的回答 。
2016年 ， 中美科学家首次联合捕获到了这种粒子——「马约拉纳费米子」（Majoranafermion） 。
近日 ， 麻省理工学院物理系、印度理工学院物理系、加州大学河滨分校物理学与天文学系、香港科技大学物理学系的一组研究人员更是在我们都不陌生的金属「金」中观察到了马约拉纳费米子 ， 相关论文于2020年4月6日发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS） 。
鉴于其独特的属性 ， 马约拉纳费米子是制造量子计算机的完美选择之一 。 因此 ， 这一发现无疑推动了容错量子计算机的研发 ， 向人类量子计算之梦的实现又迈进了一步 。
『科技生活快报』困扰物理学界80余年的马约拉纳费米子首次在金属中捕获到
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神秘的粒子
【『科技生活快报』困扰物理学界80余年的马约拉纳费米子首次在金属中捕获到】物理学中 ， 能够以自由状态存在的最小物质组成部分便是粒子 。 粒子又主要分为两派——费米子（fermion ， 如电子、质子）和玻色子（Boson ， 如光子、介子） 。
其中 ， 费米子即一切自旋（Spin）为1/2的粒子 ， 这一概念最早由曾于1933年与薛定谔共同获得诺贝尔物理学奖的量子力学奠基人之一PaulDirac提出 。 PaulDirac认为 ， 每个费米子在宇宙中都存在着一个与之相对的反粒子 ， 二者就像脾气完全相反的一对双胞胎一样 ， 二者产生的能量甚至可能让它们瞬间湮灭 。
不过 ， 1937年 ， 意大利物理学家EttoreMajorana预言 ， 存在一种特殊的费米子 ， 它们的反粒子和自己的长相、脾气都完全一样 ， 也就是说 ， 它们的反粒子就是自己本身 ， 在量子计算中可被用来形成稳定的比特 。
后来 ， 这种特殊的费米子被命名为“马约拉纳费米子”（Majoranafermion ， 因EttoreMajorana得名） ， 为便于区分 ， 传统认知里的费米子通常被称为“狄拉克费米子”（Diracfermion ， 因PaulDirac得名） 。
然而 ， 此后的80多年里 ， 马约拉纳费米子始终只是一个概念而已 ， 令物理学家感到头痛 。
具体来讲 ， 想要证实马约拉纳费米子存在的猜想 ， 需要观察到1937年EttoreMajorana提出的一种名为「双β衰变」（double-βdecay）的现象 。
经过几十余年的努力 ， 1987年 ， 加州大学尔湾校区MichaelMoe团队最早在实验室成功观测到硒-82的双β衰变 。
此后 ， 不少实验都成功观测到其他同位素的寻常双β衰变 ， 但无一能为证实上述猜想提供正面的结果 。
终于 ， 2016年6月22日 ， 上海交通大学、浙江大学、南京大学与美国麻省理工学院团队合作 ， 率先观测到了在拓扑超导体涡旋中存在马约拉纳费米子的重要证据 。
这一成果意味着人类在量子物理学领域取得了重大突破 ， 同时也表明 ， 在固体中实现拓扑量子计算成为可能 。
容错量子计算
「量子优势」的说法我们可能已经不陌生了 ， 它是指量子计算机在处理任务时能够完虐最强的经典超级计算机 。
但事实上 ， 正如中国科学院院士、量子计算泰斗姚期智教授在第五届腾讯WE大会上演讲时所说：
目前我们已经进入了一个能看到量子计算机将要做出来的时间段——即最后一里路 。 不过 ， 这「最后一里路」 ， 不仅非常艰难 ， 而且耗时也会很长 。
雷锋网了解到 ， 量子计算难以实现的原因之一就在于“噪声” 。 从量子比特中的热量或从更深层的量子物理过程中产生的随机波动 ， 将可能导致计算失败 。
面对这种噪声 ， 研究人员并非没有给出解决方案 ， 目前主要有两种方式：
多数决定法：数一数哪一种比特（0或1）比较多 ， 多的那一种应该是正确的；
宇称查验：查验相邻比特的取值是否相同 ， 不同则意味着其中一个出错了 。


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