世界上有没有反粒子是自己的粒子？这个问题问了80多年之后，终于得到了肯定的回答。2016年，中美两国科学家首次共同捕获了这种粒子——马约拉纳费米子。近日，来自麻省理工学院物理系、印度理工学院物理系、加州大学河滨分校物理与天文系、美国物理系的一组研究人员香港科技大学一直致力于我们熟悉的金属“黄金”。ObservedMajoranafermions，相关论文发表于2020年4月6日的《美国国家科学院院刊》(PNAS)。鉴于其独特的性质，Majorana费米子是构建量子计算机的完美候选者之一。因此，这一发现无疑推动了容错量子计算机的研发，朝着实现人类量子计算梦想又迈进了一步。在神秘的粒子物理学中，物质中能以自由状态存在的最小部分就是粒子。粒子主要分为两派——费米子（如电子和质子）和玻色子（玻色子，如光子和介子）。其中，费米子都是自旋（Spin）为1/2的粒子。这个概念最早是由1933年与薛定谔共同获得诺贝尔物理学奖的量子力学奠基人之一保罗·狄拉克提出的。保罗·狄拉克认为宇宙中的每一个费米子都有对应的反粒子。两人就像是脾气完全相反的双胞胎。两人所产生的能量，甚至有可能让他们瞬间湮灭。然而，1937年，意大利物理学家埃托雷·马约拉纳预言，有一种特殊的费米子，其反粒子在外观和性质上都与自己一模一样，也就是说，它们的反粒子就是自己。可用于形成稳定位。后来，这种特殊的费米子被命名为“Majorana费米子”（以EttoreMajorana命名）。为了方便区分，传统认知中的费米子通常被称为“狄拉克费米子”。”（狄拉克费米子，以保罗·狄拉克的名字命名）。然而，此后80多年，马约拉纳费米子一直只是一个概念，令物理学家头疼不已。具体来说，要证实马约拉纳费米子存在的猜想，需要观察埃托雷·马约拉纳在1937年提出的一种叫做“双β衰变”的现象。经过几十年的努力，1987年，英国科学院MichaelMoe团队加州欧文市率先在实验室成功观测到硒82的双β衰变。从那以后，许多实验成功地观察到了其他同位素的普通双β衰变，但没有一个能提供肯定的结果来证实上述猜想。终于在2016年6月22日，上海交通大学、浙江大学、南京大学和麻省理工学院团队合作，首次观测到拓扑超导涡旋存在马约拉纳费米子的重要证据。这一成果意味着人类在量子物理学领域取得了重大突破，也表明在固体中实现拓扑量子计算成为可能。对于容错量子计算中的“量子优势”这个词，我们可能并不陌生。它指的是量子计算机在处理任务时超越最强大的经典超级计算机的能力。但事实上，正如中国科学院院士、量子计算大师姚期智教授在第五届腾讯WE大会上的演讲中所说：目前，我们已经进入了一个可以看到量子计算的时代。计算机将被制造出来——也就是最后一英里。路。然而，这“最后一公里”不仅难度很大，而且非常耗时。雷锋网了解到，量子计算难以实现的原因之一就是“噪音”。由量子比特中的热量或更深层次的量子物理过程引起的随机波动可能导致计算失败。面对这种噪声，研究人员一直没有给出解决方案。目前主要有两种方式：多数决定法：统计哪一位（0或1）多，多的就对；奇偶校验：检查相邻位的值是否相同，如果不同，说明其中一位错误。这里出现了一个“容错阈值”的概念，即量子纠错能够达到预期效果的前提——奇偶校验过程中产生的错误不会增加错误的数量。然而，纠错显着增加了计算成本，因为计算能力用于纠正错误而不是运行算法。因此，研究人员可以说他们找到了另一种方式，提出了一种主动“适应噪声”的新方案，即容错量子计算。要实现容错量子计算，需要错误率大大低于阈值（约0.1%）且超过一百万个量子比特。目前，这是不可能的。“黄金”中的马约拉纳费米子在上述论文中，研究团队提到，他们在黄金中发现的马约拉纳费米子适用于标准的纳米加工技术，可用于容错量子计算机。因此，量子比特构建块有望推动容错量子计算的发展。具体来说，研究团队设计并制造了一个材料系统，该材料系统由生长在超导材料钒上的约4纳米粗的金纳米线组成，并分布有微小的硫化铕铁磁体。当研究团队扫描硫化铕附近的表面时，他们发现金表面的信号尖峰能量为零。根据理论，这些现象只能由马约拉纳费米子对产生。事实上，这一发现并非偶然。大约10年前，该论文的合著者之一帕特里克·李(PatrickLee)已经萌生了马约拉纳费米子可能存在于普通金属材料中的想法。产生这种想法的原因是，虽然科学家们长期以来一直在寻找半导体中的马约拉纳费米子，将半导体与超导体结合，赋予半导体超导特性，但半导体中的粒子可以在分裂马约拉纳费米子对后形成。但实际上，当金属与超导体相邻时，它们也可以超导。对此，该论文的另一位共同作者JagadeeshMoodera表示：值得注意的是，我们的材料制备方法比“基于半导体生成量子位”的传统方法更加稳定。我们的材料系统是一个金放在铁上的磁铁和超导体之间的“三明治”结构。从另一个角度来说，这也让它在成本上具有更大的商业优势。
