行业看点丨 华人科学家找到“天使粒子” 量子计算或成现实

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华人科学家找到“天使粒子”    

由4位华人科学家领衔的科研团队终于找到了正反同体的“天使粒子”——马约拉那费米子，从而结束了国际物理学界对这一神秘粒子长达80年的漫长追寻。

据人民日报7月21日消息，相关论文发表在今天出版的《科学》杂志上。该成果由加利福尼亚大学洛杉矶分校王康隆课题组和美国斯坦福大学教授张首晟课题组、上海科技大学寇煦丰课题组等多个团队共同完成，通讯作者为何庆林、寇煦丰、张首晟、王康隆，均为华人科学家。

诺贝尔奖获得者Frank Wilczek评价这项工作时说: 张首晟与团队设计了全新的体系, 并在实验中清晰地测量到马约拉那费米子，这真是一项里程碑的工作。

国际同行指出：发现马约拉那费米子是继发现“上帝”粒子（希格斯波色子）、中微子、引力子之后的又一里程碑发现，不仅具有重大的理论意义，而且具有重要的潜在应用价值：让量子计算成为现实。

“神秘的正反同体粒子，让我们等了80年”

在物理学领域，构成物质的最小、最基本的单位被称为“基本粒子”。它们是在不改变物质属性前提下的最小体积物质，也是组成各种各样物体的基础。基本粒子又分为两种：费米子和玻色子，分别以美国物理学家费米和印度物理学家玻色的名字命名。

东方西方哲学家都认为，人类似乎生活在一个充满正反对立的世界：有正数必有负数，有存款必有负债，有阴必有阳，有善必有恶，有天使必有恶魔。 1928年，伟大的理论物理学家狄拉克(Dirac)作出惊人的预言：宇宙中每一个基本费米粒子必然有相对应的反粒子。根据爱因斯坦E=mc²的质能公式，当一个费米子遇上它的反粒子，它们会相互湮灭，从而使两个粒子的质量消失并转化为能量。

从此以后，宇宙中有粒子必有其反粒子被认为是绝对真理。然而，会不会存在一类没有反粒子的粒子，或者说正反同体的粒子？1937年，意大利理论物理学家埃托雷·马约拉那（Ettore Majorana）在他的论文中猜测有这样神奇的粒子存在，即我们今天所称的马约拉那费米子。不幸的是，他本人做出这一猜测后在一次乘船旅行中神秘失踪。自此以后，寻找这一神奇粒子成为了物理学家门梦寐以求的探索目标。

科学家们认为，在粒子物理中，标准模型范畴之外的中微子可能是马约拉那费米子。而要验证这一猜想，需要进行无中微子的beta双衰变实验。可惜的是，这项实验所要求的精度在今后的10年到20年以内都难以达到。

张首晟把突破口转向凝聚态物理。从2010年到2015年，张首晟团队连续发表三篇论文，精准预言了实现马约拉那费米子的体系及用以验证的实验方案。王康隆等实验团队依照张首晟的理论预测，成功发现了手性马约拉那费米子，为持续了整整80年的科学探索画上了圆满的句号。

张首晟将这一新发现的手性马约拉那费米子命名为“天使粒子”，这个名字来源于丹·布朗的小说及其电影《天使与魔鬼》。“这部作品描述了正反粒子湮灭爆炸的场景。过去我们认为有粒子必有其反粒子，正如有天使必有魔鬼。但今天，我们找到了一个没有反粒子的粒子，一个只有天使，没有魔鬼的完美世界。”张首晟说。

“今天的成果，是建立在发现量子反常霍尔效应的基础上”

困扰了物理学界80年的难题是怎样被破解的？张首晟认为，任何科研工作都是建立在已有成果的基础上。天使粒子的发现，得益于先前对量子反常霍尔效应的探索，也是理论和实验结合的成果。

最初，张首晟按常理做了一项推断：既然马约拉那费米子只有粒子、没有反粒子，那么它就相当于传统粒子的一半。他很快意识到，“一半”的概念就是解决问题的关键。

早在2008年，张首晟理论就预言了量子反常霍尔效应，这一预言在2013年被清华大学教授薛其坤领衔的清华大学物理系和中科院物理研究所联合组成的实验团队证实。在实验中，随着调节外磁场，反常量子霍尔效应薄膜呈现出量子平台，对应着1、0、-1倍基本电阻单位e2/ h。也就是说，量子世界里的电阻是量子化的，它只能整数倍地跳台阶。

这给了张首晟一个灵感：马约拉那费米子是通常粒子的一半，既然通常的粒子按整数跳，马约拉那费米子或许就是按半整数跳——它一定会呈现出一个奇特的、“1/2的台阶”。由此，他预言手性马约拉那费米子存在于一种由量子反常霍尔效应薄膜和普通超导体薄膜组成的混合器件中。当把普通超导体置于反常量子霍尔效应薄膜之上时，临近效应使之能够实现手性马约拉那费米子，相应的实验中会多出全新的量子平台，对应 1/2 倍基本电阻单位e2/ h。

中国科大利用量子模拟

首次揭示马约拉纳费米子的量子统计特性

对马约拉纳费米子的研究，中国科学家也早已作出了研究。

据2016年的相关报道，中国科学技术大学郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室在马约拉纳费米子研究方面取得重要进展。该实验室李传锋、许金时、韩永建等与其合作者利用线性光学量子模拟器，首次实验揭示了马约拉纳费米子的非阿贝尔量子统计特性，并进一步演示了编码到马约拉纳零模的量子信息对局域噪声的免疫特性，为实现拓扑量子计算提供了一种有效的途径。该研究成果10月25日发表在国际权威期刊《自然•通讯》上。

量子力学教科书告诉我们，微观粒子分为费米子和玻色子两类，他们可以用两个全同粒子交换后总体波函数的变化加以区分。如果两个全同粒子的整体波函数在交换后不变，则是玻色子，符合玻色-爱因斯坦统计，比如光子等；如果交换后的整体波函数多出一个负号，则是费米子，符合费米-狄拉克统计，比如电子等。这些交换后仅仅多出一个整体相位的粒子都满足阿贝尔量子统计。然而大自然奥妙无穷，还可能存在另一类粒子，它们交换之后整个的波函数会经历一个幺正变换（不仅仅是多出一个整体的相位）。1937年，意大利物理学家马约拉纳基于相对论和量子力学提出了一种新奇粒子，现在称为马约拉纳费米子。马约拉纳费米子的反粒子是其自身，更令人瞩目的是它具有非阿贝尔量子统计特性，即两个马约拉纳费米子交换后等价于对总体波函数做一个幺正变换。

马约拉纳费米子提出近80年来，科学家们一直致力于寻找这一神秘的粒子。有人猜测中微子可能是一种马约拉纳费米子，可是要交换两个中微子验证其量子统计特性是极其困难的。近年来的理论研究表明，凝聚态系统中的马约拉纳零模是具有马约拉纳费米子特性的准粒子，它是实现长时间量子存储和拓扑量子计算的理想载体。实现马约拉纳零模的交换是确定它的统计特性以及实现拓扑量子计算的关键步骤。尽管在凝聚态系统中实验物理学家们进行了长期的探索研究，已找到一些表明马约拉纳零模存在的证据，但依然没有实现关键性的交换操作和量子统计特性的研究。

量子模拟器是专用的量子计算机，通过设计专门的量子逻辑线路有效地解决特殊的问题。李传锋研究组近年来自主研发出线性光学量子模拟器并取得一系列研究进展，积累了丰富的经验。本实验中他们巧妙地设计出一个基于耗散的四量子比特（三个工作比特加一个辅助比特）的线性光学量子模拟器，利用它有效地产生Kitaev模型（存在马约拉纳零模的最简单模型）中的马约拉纳零模，并通过耗散过程有效地移动马约拉纳零模，进而完成两个马约拉纳零模的交换操作，并由此验证了马约拉纳零模的非阿贝尔统计特性。他们还进一步演示了编码到马约拉纳零模的量子信息对局域噪声的免疫特性。实验中每项模拟过程的保真度都在94%以上。

本成果对量子统计、拓扑量子计算和马约拉纳费米子的研究具有重要的推动作用。同时，这种基于耗散的量子模拟器也拓展了线性光学量子模拟器的能力。

文章第一作者为许金时教授，理论方案由韩永建教授完成。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院和量子信息与量子科技前沿协同创新中心的资助。

马约拉纳费密子交换示意图

美国哈佛大学研究团队制造出最强量子系统

最近，美国哈佛大学研究团队也在量子计算机的研究方面传出了好消息。

据《新科学家》杂志网站18日报道，美国哈佛大学研究团队在近日召开的莫斯科国际量子技术大会上宣布，他们已经制造出迄今最强量子系统，其拥有51个量子比特（Qubit），能模拟一种化学反应，研究原子间相互作用。此前，谷歌公司在4月份曾强势宣布，将在今年底打造出49个量子比特的量子计算机。

据科技日报7月20日消息，与传统计算机运用二进制（0和1）记录信息不同，量子计算机使用量子叠加态描述信息，拥有传统计算机无法比拟的超级计算能力。但现有量子计算机只能在传统计算机上进行模拟，目前最高只能模拟42个量子比特，而只有超过49个量子比特，量子计算机才能成为超越二进制的超级计算机。

谷歌正在研制的49个量子比特量子系统，都是使用极端低温状态下的电子利用超导性储存信息。而领导这次研究的俄裔美籍科学家米哈伊尔·卢金介绍说，他们设计了一种全新方法，用激光将铷原子“圈禁”起来，让铷原子在激光束内振动，让每个铷原子创建一个量子位，从而构建出51个量子比特的新系统。

卢金表示，他们的新量子系统是一种量子模拟器，只能用来构建一种特定的化学反应式，研究原子间相互作用及药物在人体内的作用效果。如果需要另一种化学反应式来进行科学研究，必须从零开始重建一个新的量子系统，这些量子模拟器虽然没有量子计算机复杂，但仍需花费巨资创建。这与谷歌量子系统能构建多种研究模型相比，还存在差距。