视频｜中国科学家克服三大困难，发现造量子计算机的神秘粒子

中国科学家率先在世界上取得突破，人类首次“捕捉”到神秘的马约拉纳费米子。这一粒子是制造量子计算机完美候选对象，将为人类打开量子计算之门。

量子计算机拥有惊人的数据处理速度，与目前世界上最快的超级计算机、每秒12.54亿亿次的峰值计算速度的“神威·太湖之光”相比，量子计算机是飞机，超级计算机是自行车。

长期以来，人类未能制造出量子计算机的重要原因，是使用的粒子量子状态不稳定，但马约拉纳费米子拥有完美的稳定性。

可长达近80年的时间中，人类与该粒子未曾谋面，直到近日。北京时间6月22日，上海交通大学教授贾金锋发现马约拉纳费米子的研究论文在线发表在国际顶级物理学刊物《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

事实上，1937年科学家就预言了该粒子的存在，此后关于该粒子有1万多篇SCI研究论文发表。甚至有研究组称，发现了该粒子，但其结果都备受质疑。贾金锋研究团队通过巧妙的实验设计,率先观察到该粒子存在的确凿证据：自旋极化电流现象。

众所周知，世界是由基本粒子组成的，科学家们认为，每一种粒子都有它的反粒子，这些反粒子共同组成了反物质世界，当物质与反物质相遇时会产生巨大的能量而湮灭。1937年意大利物理学家埃托雷·马约拉纳预言，自然界中可能存在一种与其反粒子完全相同的特殊粒子，也就是马约拉纳费米子。如果真如他所言，那么该粒子在量子计算领域以及解释宇宙暗物质问题方面将具有重要价值。

但过去近80年中，没有科学家能够证实或证伪这一预言。

世界各国有几十个团队都加入到寻找马约拉纳费米子的行列，为此，美国、荷兰还设立了专门的基金，著名的计算机公司微软也在这方面投入了大量的经费。2010年以来，国际上的重要期刊已经刊登关于马约拉纳费米子的SCI文章近1万篇。

也曾有研究团队声称观察到了马约拉纳费米子的迹象，但都受到很多专家的质疑，贾金锋研究团队能够观察到该粒子存在的直接证据，取得突破性成果，至少攻克了三大难题。

首先是材料学难题。

寻找马约拉纳费米子首先需要实现拓扑超导，但这是材料学难题。

在大量实验基础上，贾金锋研究团队独辟蹊径，在超导材料上“生长”出了拓扑绝缘体薄膜，并让该薄膜表面变成拓扑超导体。这一巧妙的实验设计为日后的重要发现奠定了材料基础。

其次，其他研究团队观测到马约拉纳费米子的依据，主要是基于其能量为零这一特点。但贾金锋认为，其它因素也可能在能量为零处造成一个峰。他关注到马约拉纳费米子具有自旋特性的特点，该特性不受环境中其他因素影响，其研究结论具有说服力。

但是，马约拉纳费米子的磁性非常弱，要观察到该粒子的自旋特点，需要灵敏度很高、工作环境温度很低的扫描隧道显微镜，其温度要低到40mK，比绝对零度只高0.04K。当时，上海交大没有这一实验条件，他们坚持不懈的四处联络，最终在南京大学找到了这一实验系统。

贾金锋研究团队运用自旋极化的扫描隧道显微镜，在“人造拓扑超导薄膜”表面的涡旋中心进行测量，成功观察到了由马约拉纳费米子所引起的特有自旋极化电流，这是马约拉纳费米子存在的确定性证据。

这一研究成果被认为是旷世之作。

刚刚在德国闭幕的世界超算大会（ISC）上评选出的目前世界上最快的超级计算机——“神威·太湖之光”，拥有每秒12.54亿亿次的峰值计算速度。而这样已经令人瞠目结舌的数据处理能力，跟量子计算机比起来，如同是自行车与飞机的差别。但人类之所以至今仍未制造出量子计算机的重要原因，就是目前使用的粒子的量子状态很不稳定，极容易受到电磁干扰和其他物理因素的影响。但马约拉纳费米子不同，由于其反粒子就是本身的特殊性质，使其拥有非常理想的稳定性，对于实现稳定的量子计算具有非同一般的重要意义。马约拉纳费米子的发现，就如同打开了量子计算世界的大门，人类看到的是一个拓扑量子计算的新时代，引发新一轮的电子技术革命、信息革命。

出品：科普中国

制作：上海交通大学 贾金锋 幻彩宝宝科普创新公社 武瑞雪 

监制：中国科学院计算机网络信息中心