中國科學家率先在世界上取得突破，人類首次“捕捉”到神秘的馬約拉納費米子。這一粒子是制造量子計算機完美候選對象，將為人類打開量子計算之門。

量子計算機擁有驚人的數據處理速度，與目前世界上最快的超級計算機、每秒12.54億億次的峰值計算速度的“神威·太湖之光”相比，量子計算機是飛機，超級計算機是自行車。

長期以來，人類未能制造出量子計算機的重要原因，是使用的粒子量子狀態(tài)不穩(wěn)定，但馬約拉納費米子擁有完美的穩(wěn)定性。

可長達近80年的時間中，人類與該粒子未曾謀面，直到近日。北京時間6月22日，上海交通大學教授賈金鋒發(fā)現馬約拉納費米子的研究論文在線發(fā)表在國際頂級物理學刊物《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。

事實上，1937年科學家就預言了該粒子的存在，此后關于該粒子有1萬多篇SCI研究論文發(fā)表。甚至有研究組稱，發(fā)現了該粒子，但其結果都備受質疑。賈金鋒研究團隊通過巧妙的實驗設計,率先觀察到該粒子存在的確鑿證據：自旋極化電流現象。

眾所周知，世界是由基本粒子組成的，科學家們認為，每一種粒子都有它的反粒子，這些反粒子共同組成了反物質世界，當物質與反物質相遇時會產生巨大的能量而湮滅。1937年意大利物理學家埃托雷·馬約拉納預言，自然界中可能存在一種與其反粒子完全相同的特殊粒子，也就是馬約拉納費米子。如果真如他所言，那么該粒子在量子計算領域以及解釋宇宙暗物質問題方面將具有重要價值。

但過去近80年中，沒有科學家能夠證實或證偽這一預言。

世界各國有幾十個團隊都加入到尋找馬約拉納費米子的行列，為此，美國、荷蘭還設立了專門的基金，著名的計算機公司微軟也在這方面投入了大量的經費。2010年以來，國際上的重要期刊已經刊登關于馬約拉納費米子的SCI文章近1萬篇。

也曾有研究團隊聲稱觀察到了馬約拉納費米子的跡象，但都受到很多專家的質疑，賈金鋒研究團隊能夠觀察到該粒子存在的直接證據，取得突破性成果，至少攻克了三大難題。

首先是材料學難題。

尋找馬約拉納費米子首先需要實現拓撲超導，但這是材料學難題。

在大量實驗基礎上，賈金鋒研究團隊獨辟蹊徑，在超導材料上“生長”出了拓撲絕緣體薄膜，并讓該薄膜表面變成拓撲超導體。這一巧妙的實驗設計為日后的重要發(fā)現奠定了材料基礎。

其次，其他研究團隊觀測到馬約拉納費米子的依據，主要是基于其能量為零這一特點。但賈金鋒認為，其它因素也可能在能量為零處造成一個峰。他關注到馬約拉納費米子具有自旋特性的特點，該特性不受環(huán)境中其他因素影響，其研究結論具有說服力。

但是，馬約拉納費米子的磁性非常弱，要觀察到該粒子的自旋特點，需要靈敏度很高、工作環(huán)境溫度很低的掃描隧道顯微鏡，其溫度要低到40mK，比絕對零度只高0.04K。當時，上海交大沒有這一實驗條件，他們堅持不懈的四處聯絡，最終在南京大學找到了這一實驗系統(tǒng)。

賈金鋒研究團隊運用自旋極化的掃描隧道顯微鏡，在“人造拓撲超導薄膜”表面的渦旋中心進行測量，成功觀察到了由馬約拉納費米子所引起的特有自旋極化電流，這是馬約拉納費米子存在的確定性證據。

這一研究成果被認為是曠世之作。

剛剛在德國閉幕的世界超算大會（ISC）上評選出的目前世界上最快的超級計算機——“神威·太湖之光”，擁有每秒12.54億億次的峰值計算速度。而這樣已經令人瞠目結舌的數據處理能力，跟量子計算機比起來，如同是自行車與飛機的差別。但人類之所以至今仍未制造出量子計算機的重要原因，就是目前使用的粒子的量子狀態(tài)很不穩(wěn)定，極容易受到電磁干擾和其他物理因素的影響。但馬約拉納費米子不同，由于其反粒子就是本身的特殊性質，使其擁有非常理想的穩(wěn)定性，對于實現穩(wěn)定的量子計算具有非同一般的重要意義。馬約拉納費米子的發(fā)現，就如同打開了量子計算世界的大門，人類看到的是一個拓撲量子計算的新時代，引發(fā)新一輪的電子技術革命、信息革命。

出品：科普中國

制作：上海交通大學 賈金鋒 幻彩寶寶科普創(chuàng)新公社 武瑞雪 

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