[科普中國(guó)]-宇宙中的神秘粒子，竟在計(jì)算機(jī)中現(xiàn)出蹤跡

作者：荒唐，凝聚態(tài)物理方向博士

審核專(zhuān)家：丁洪，中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員，北京凝聚態(tài)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任，首席科學(xué)家

1928年，英國(guó)物理學(xué)家保羅·狄拉克提出了狄拉克方程，這個(gè)方程預(yù)言了反粒子的存在。隨后1932年卡爾·安德森發(fā)現(xiàn)了正電子，證明該理論的正確性。在物理學(xué)中，把反粒子于自身不同的費(fèi)米子成為狄拉克費(fèi)米子。1937年，埃托雷·馬約拉納發(fā)現(xiàn)一種反粒子，其本身的假想費(fèi)米子也滿足洛倫茲不變性，后來(lái)被命名為馬約拉納費(fèi)米子。然而，迄今為止在宇宙中并沒(méi)有找到一個(gè)真實(shí)粒子是馬約拉納費(fèi)米子。

(供圖：作者)

雖然并沒(méi)有找到真實(shí)的馬約拉納費(fèi)米子，但把凝聚態(tài)物理中涉及的大量電子類(lèi)比于宇宙中存在的大量粒子，在這個(gè)新的“宇宙”中，發(fā)現(xiàn)了由大量粒子集體運(yùn)動(dòng)模式具有馬約拉納費(fèi)米子的行為，通常稱為馬約拉納費(fèi)束縛態(tài)(Majorana bound states)、馬約拉納零能模(Majorana zero-mode)等。

(“悟空”號(hào)暗物質(zhì)衛(wèi)星。圖片來(lái)源：news.cn)

基于晶體管工藝的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)逐漸走到了理論盡頭。人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)已經(jīng)遠(yuǎn)超過(guò)了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的能力范圍。量子計(jì)算具有超越經(jīng)典計(jì)算的并行運(yùn)算能力，其計(jì)算能力遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，成為了現(xiàn)階段被公認(rèn)的最有潛力的解決方案。拓?fù)淞孔佑?jì)算具有魯棒性、高容錯(cuò)性的特點(diǎn)，理論上在實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算具有一定的優(yōu)勢(shì)。因此基于馬約拉納束縛態(tài)的拓?fù)淞孔佑?jì)算成為了一個(gè)研究熱點(diǎn)。馬約拉納束縛態(tài)服從非阿貝爾任意子統(tǒng)計(jì)(Non-Abelian anyon),它具有最后的結(jié)果與操作順序有關(guān)的特點(diǎn)。這就提供了豐富的操作空間，使得基于馬約拉納束縛態(tài)編織操作構(gòu)造的量子計(jì)算機(jī)具有更加豐富的功能。目前，微軟以投入大量資金研究拓?fù)淞孔佑?jì)算。

(供圖：作者)

理論上預(yù)言在P波超導(dǎo)體的邊緣存在馬約拉納束縛態(tài)，然而在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)P波超導(dǎo)有很大的困難。2007年，賓夕法尼亞大學(xué)的Liang Fu和C. L. Kane預(yù)言利用s波超導(dǎo)體加上非簡(jiǎn)并狄拉克拓?fù)浔砻鎽B(tài)，能夠產(chǎn)生馬約拉納束縛態(tài)。之后，實(shí)驗(yàn)上在s波超導(dǎo)體與拓?fù)浣^緣體、納米線、量子反?；魻柦^緣體、原子鏈的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)體系中， 證明了馬約拉納束縛態(tài)的存在。

中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)（簡(jiǎn)稱研究團(tuán)隊(duì)）基于之前對(duì)單晶FeTe 0.55 Se 0.45 的能帶表征、理論計(jì)算為基礎(chǔ)，利用極低溫強(qiáng)磁場(chǎng)掃描隧道顯微鏡對(duì)單晶FeTe 0.55 Se 0.45 進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)在磁通渦旋中存在零能的馬約拉納束縛態(tài)，并且其空間位置不隨磁通渦旋位置的變化而變化。絕大多數(shù)的零能峰在約3K的時(shí)候消失，這個(gè)溫度高于之前絕大多數(shù)馬約拉納束縛態(tài)實(shí)驗(yàn)，意味著 有可能在液氦溫區(qū)實(shí)現(xiàn)對(duì)馬約拉納束縛態(tài)的操縱。

(供圖：作者)

在新的“宇宙”中，越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)證明存在馬約拉納束縛態(tài)。研究團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究表明，有可能在別的材料中，在更高溫度，存在馬約拉納束縛態(tài)，這將推動(dòng)量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)。關(guān)于馬約拉納束縛態(tài)的研究，對(duì)回答真實(shí)宇宙中馬約拉納費(fèi)米子真身在哪等一系列問(wèn)題具有啟發(fā)意義。

在鐵基超導(dǎo)材料中發(fā)現(xiàn)的馬約拉納束縛態(tài)