人类距离拓扑量子计算更近了一步

国际物理学界追寻正反同体的马约拉纳费米子已有80多年，近日，它的魅影出现在铁基超导体上。这意味着，人类距离拓扑量子计算更近了一步。

今天上午，中国科学院召开新闻发布会，宣布中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心在两***立的He-3极低温度强磁场扫描隧道显微镜上，通过对大量样品进行上百次He-3低温测量，成功在FeTe0.55Se0.45单晶的磁通涡旋中实现了零能马约拉纳束缚态的大量重复观测。相关论文发表在当天凌晨的世界顶级学术期刊《科学》（Science）上。

图：科学家 丁洪

主导此项研究的北京凝聚态国家实验室首席科学家丁洪表示，这是国际上首次利用单一材料，在比其他复合材料都要高的工作温度中观测到了更纯的马约拉纳费米子模。目前，丁洪团队正在尝试利用这种准粒子编织拓扑量子比特，一旦成功，拓扑量子计算机将走向现实，无疑是诺奖级别的成果。

那么，什么是马约拉纳费米子模？“准粒子”与“粒子”有何区别？它们与量子计算又有什么关系？

正反同体的神秘粒子

物理学领域的基本粒子分为两种：费米子和玻色子，分别以美国物理学家费米和印度物理学家玻色的名字命名。费米子包含电子、夸克等我们熟悉的粒子。

1928年，物理学家保罗·狄拉克（Paul Dirac）做出了一个惊人的预测：宇宙中的每个基本粒子都有一个与其对应的反粒子——电荷相反的“双胞胎”。当粒子与反粒子相遇时，它们会湮灭，同时释放出一股能量。

1937年，意大利天才物理学家埃托雷·马约拉纳（Ettore Majorana）在他的论文中提供了另一种预测：应该有一些费米子，自己就是自己的反粒子，并可以用一个波动方程来描述。

值得一提的是，马约拉纳预测之后悄然失踪，给这一预言增添了神秘色彩。随后，人类踏上了寻找这一神奇粒子的漫长过程。

著名华裔物理学家、美国斯坦福大学教授张首晟给马约拉纳费米子起了个别名叫“天使粒子”，灵感来源于丹·布朗的小说及其电影《天使与魔鬼》。“这部作品描述了正反粒子湮灭爆炸的场景。过去我们认为有粒子必有其反粒子，正如有天使必有魔鬼。但今天，我们找到了一个没有反粒子的粒子，一个只有天使，没有魔鬼的完美世界。”

“附身”在固体材料上的粒子魅影

在粒子物理的标准模型中，中微子一直是马约拉纳费米子的“最佳嫌疑人”。不过，证明这一点需要进行无中微子的beta双衰变实验，人类暂时还没有能力达到相应的实验精度。因此，一些科学家将目光转向了凝聚态物理。

凝聚态物理学研究的是由大量粒子组成的凝聚态结构，一般无法直接观测到单个粒子。不过，固体材料（比如金属、非金属、半导体、超导体）内部的自由电子，在何时的磁场、压力、温度等外部条件下，会产生特定的集体活动趋势，仿佛是一个虚拟粒子。

这些“准粒子”，在合适的环境条件会表现出和真实粒子一样的物理规律，只是“附身”在固体材料上，可以视作粒子投射其上的魅影。

凝聚态科学家们要做的，就是寻找合适的固体材料和合适的环境条件，“创造”出马约拉纳费米子的影子，即马约拉纳费米子模。

单一材料，更高温度

2016年6月，上海交通大学贾金锋教授及其合作者在国际顶级物理学刊物《物理评论快报》（Physical Review Letters）在线发表论文指出，他们通过巧妙的实验设计率先观测到了在涡旋中的马约拉纳费米子的踪迹。

2017年7月，张首晟、何庆林、寇煦丰、王康隆等4位华人科学家组成的联合团队在《科学》上发表论文，他们在量子反常霍尔效应薄膜和普通超导体薄膜组成的混合器件中观测到了半整数量子电导平台，为手性马约拉那费米子的存在提供了有力的印证。

不过，此前的成果都是在比较复杂的固体材料中找到马约拉纳费米子模，需要在非常低的温度下工作，因此需要大量昂贵的液氦。这次，丁洪利用一种新型的铁基超导体，在单一材料上就创造出了马约拉纳费米子模，提高了工作温度。并且，最终得到的马约拉纳费米子模是国际上最为纯粹的。

“编织”拓扑量子计算机

这种正反同体的“天使粒子”，可能正是量子计算机需要的点睛之笔。目前，各大科技巨头在量子计算上纷纷投入了“军备竞赛”级别的研发和资金力量。

传统的计算机运用要么是“0”，要么是“1”的二进制比特进行计算，量子计算机使用的量子比特则可以同时是“0”或“1”。理论上，10个量子比特可以平行计算2的10次方次。学界主流预测，50个量子比特的量子计算机就可以在特定问题上超过世界上最强大的经典计算机，实现“量子霸权”。

IBM最近完成了50比特原型机，谷歌也于年初发布了研制高质量72比特量子计算机的计划，微软却另辟蹊径：他们目前一个量子比特也没公布，但宣称一旦找到一个拓扑量子比特，就会比1000个嘈杂的量子比特更强大。

微软重金押注的拓扑量子比特，正是马约拉纳费米子。

原来，量子计算不是个简单的比谁比特数多的问题，量子比特的质量同样重要。然而，量子比特的状态是非常脆弱的，甚至观测本身就会破坏它们。

而拓扑固体材料可以提供独特的稳定环境，帮助囚禁其中的量子比特对抗扰动。所谓拓扑，直观上就是几何上的不变性：有些系统，不管其中的个体怎么变化，有一些性质在整体上是不变的。放在拓扑量子计算这个例子上，科学家们就构想像编辫子一样编织固体材料中的马约拉纳费米子模，构建一种特殊的拓扑结构，自身能守住某种整体性质，容错能力强大。只要外界干扰不是特别大，拓扑系统中的量子比特就能持续正常计算。

丁洪表示，自去年在铁基超导体中找到了零能马约拉纳束缚态，团队就在尝试进一步编织拓扑量子计算系统。

丁洪，湖南长沙人，1995年在美国伊利诺伊大学获得博士学位，曾在波士顿学院任职正教授，2008年入选首批“千人计划”回国，担任中国科学院物理研究所研究员、北京凝聚态国家实验室首席科学家，主要利用光电子能谱研究高温超导体和新奇量子材料的电子结构和物理机理。

2015年，丁洪首次利用同步辐射在固体材料中发现外尔费米子，入选了美国《物理》评选的2015年8大标志性成果、英国《物理世界》评选的2015年10大突破和中国科技部评选的2015年中国科学10大进展。