开启新时代的大门：马约拉纳费米子与量子计算

原创 2016-12-17 特约观察员饶玉柱 学术plus

马约拉纳费米子与量子计算

——中国上海交通大学科研团队取得重大突破

北京时间2016年6月22日（美国东部时间6月21日），国际顶级物理学刊物《物理评论快报》（Physical Review Letters）在线发表了上海交通大学贾金锋教授及其合作者的论文，他们已宣称经找到了过去近80年来物理学家一直在苦苦探索的一种基本粒子---马约拉纳（Majorana）费米子。

这项基于超导材料等一系列创新成果的发现，被国内外科学家认为是该领域的一个里程碑，为研究马约拉纳物理及后续实验打开了一扇新窗口，也为人类敲开了拓扑量子计算时代的大门。

马约拉纳费米子及其发现

在物理学最小的基本粒子世界里有着“两大家族”：费米子家族（如电子、质子）和玻色子家族（如光子、介子）。费米子是构成物质实体的粒子，玻色子是传递力或能量的粒子。一般认为，每一种粒子都有其反粒子，如费米子与其反粒子就像一对长相一样但脾气相反的孪生子，一见面就“大打出手”，产生的能量甚至会让它们瞬间湮灭。

1937年，意大利物理学家埃托雷•马约拉纳预言，自然界中或存在一类特殊费米子，该粒子与其反粒子长相、脾气完全相同，这种费米子被称为“马约拉纳费米子”。粒子物理标准模型里的中微子或是一种潜在的马约拉纳费米子。

几十年来，粒子物理学家们一直在寻找马约拉纳费米子。2008年后，凝聚态物理学家们开始思考一些新方法，让马约拉纳费米子能从固体物质内电子的集体行为中形成，尤其是在固体物质同超导体或一维电线相互接触的表面形成，比如理论物理学家曾预言，马约拉纳费米子可能存在于拓扑超导体的涡旋中心。

拓扑超导体是一种具有“双重性格”新型晶体材料：在极低温度下，晶体内部表现与普通超导体类似，能以零电阻导电；同时，它的表面是仍有电阻的金属，能传输电流。如果一种拓扑超导体取代了一种拓扑绝缘体，把这种混合材料置于强磁场中时，其边界电子将变成马拉约那费米子。

贾金锋团队在大量实验基础上，把超导材料放在了下面，使它上方“生长”出了拓扑绝缘体薄膜，让拓扑绝缘体薄膜的表面变成拓扑超导体，直接把喜欢捉迷藏的马约拉纳费米子从“暗处”翻到了“明面”上，为寻找马约拉纳费米子奠定了重要的材料基础。同时由于只有马约拉纳费米子才能产生自旋极化电流的现象，贾金锋团队创新性的使用自旋极化的扫描隧道显微镜来探测马约拉纳费米子。自旋极化的扫描隧道显微镜的针尖具有磁性，能够准确地探测一个原子的磁性特征，从而帮助贾金锋团队找到隐藏在拓扑超导体涡旋中的马约拉纳费米子。

马约拉纳费米子的发现与量子计算

找到马约拉纳费米子意味着人类在量子物理学领域取得了一个重大突破，同时也意味着在固体中实现拓扑量子计算成为可能。科学家们很早就预期马约拉纳费米子就是制造量子计算机的完美选择之一。

量子计算是一种依照量子力学理论进行的新型计算，其概念最早由IBM的科学家R.Landauer及C.Benntt于20世纪70年代提出。与普通计算机通过二进制方式处理数据不同，基于量子物理机理计算机数据处理速度惊人。贾金锋教授说：“与普通计算机通过二进制方式处理数据不同，量子计算机是一种基于量子物理机理处理数据的计算机。它对数据的处理速度惊人，如果把量子计算机比作飞机的话，那么普通计算机只能算是自行车。使用普通计算机需要耗费巨大计算资源才能勉强处理的问题，在量子计算机看来是小菜一碟。”以天气预报为例，由于现有技术的局限，现在人们对天气的预测不可能达到每次都非常准确。如果使用量子计算机来计算天气数据，不仅能瞬间运算海量数据，预测的准确性也会大大提高。当然，精确地预测天气对于量子计算机来说还不算什么，它能对未合成的概念材料进行系统、精确、高效地计算，为材料科学领域带来革命性的进步。因此，马约拉纳费米子能对海量已经合成的新材料，乃至对未合成的概念材料进行精确高效的计算，为材料科学带来革命性的进步。

在历经几十年的发展后，量子计算方面的理论探究日趋完善，但迄今尚未制造出量子计算机的一个重要原因是，目前用于量子计算的粒子的量子态并不稳定，电磁干扰或物理干扰可轻松打乱其本应进行的计算。而马约拉纳费米子的反粒子就是自己本身，它的状态非常稳定。这些属性或是使量子计算机的制造变成现实的一个关键。

但是，马约拉纳费米子也并非十全十美。量子计算的理论研究早已证明，所有可能的量子逻辑运算都可以分解成几个基本的运算：Hadamard 门，π/4比特旋转，CNOT（两个比特的控制非门）。能够实现这三个基本运算的量子计算机就称为“通用”(universal) 量子计算机。遗憾的是，马约拉纳费米子形成的系统并不是通用的。马约拉纳费米子之间的交换只能做出Hadamard 门和π/2旋转。为了实现通用量子计算机，我们需要寻找更加复杂的粒子，或者在马约拉纳费米子上引入更复杂的操作。这就把我们带到了马约拉纳费米子和拓扑量子计算理论研究的最前沿。

总结

20世纪重大成就之一是计算机的发明。人类的工作、生活已离不开计算机。但我们现在使用的计算机还处于大规模集成电路时代。近半个世纪以来，计算机的性能价格比基本遵循着著名的摩尔定律：芯片的集成度和性能每18个月提高一倍。然而，随着半导体加工工艺进步，人们预期在不远的将来半导体集成电路中晶体管的尺寸将达到10纳米的尺度，而依靠提高集成电路的密集度来增加计算能力将不太可能。如何进一步提高计算能力，已是计算机发展面临的重大挑战。

用量子力学效应实现全新的量子计算模式，是一条正在探索的途径，量子计算机能够帮助运行更为复杂的模拟，对于人工智能、虚拟现实等因为计算能力而遭遇瓶颈的领域，量子计算将会彻底加速产业进化进程，应用前景十分广阔。