近日，騰訊深圳總部, 浙江西湖高等研究院PI（獨立實驗室負責人）李牮博士進行了一場名為 “從奇異粒子到量子計算”的科普講座。李牮引領聽衆一窺即将到來的量子革命的一個重要前沿——量子計算，并進一步介紹其中非常有趣并極具潛力的一種方案——“拓撲”量子計算。作為拓撲量子計算的基石，李牮博士還介紹大家認識了一種性質奇異的粒子——馬約拉納費米子。
接下來，讓我們跟着李牮博士，來看看這些令人着迷的實體怎樣有機會在不遠的将來再次深刻地改變人類的生活。
在談量子計算之前，我們要先從什麼是“量子”說起。這裡的“量子”，其實是由量子力學所描述的事物的泛稱。在量子的世界中存在着不少與我們從日常生活的“經典”世界中獲得的經驗不同的東西。舉例來說，在經典的世界中的一隻灰貓，無論人們什麼時間看它，它都是灰色的；而在量子的世界中的一隻灰貓，人們在看它的時候會發現它有時是黑色的，有時是白色的，隻有在統計意義上它才是“灰色”的（見上圖）。我們把這隻量子貓所處的狀态叫做黑和白的量子疊加态。
如果我們進一步将黑和白當作1和0這兩個二進制數，那麼這隻量子灰貓實際上就是一個量子比特。不同于“非1即0”的經典比特，每一個量子比特都處在“既1又0”的量子疊加态。這樣的量子疊加态可以由兩個複數組成的一個矢量來描述（見上圖），而每個複數的模方對應着這個量子比特在被讀取的時候顯示1或者0的幾率——用我們剛才的量子灰貓的例子，這些幾率也就是我們實際看到它是一隻黑貓或者一隻白貓的幾率。
量子計算就是從若幹個量子比特的初始狀态出發，通過一系列變換操作，得到某個特定的終态作為計算結果（上圖是一個簡單的例子）。這裡，量子計算與經典計算最根本的不同就是在于量子計算操作的對象是多個量子比特的量子疊加态。如果量子比特的總數目為N，而每個量子比特或1或0，我們就有種排列組合（例如，如果N=3，我們有下列排列組合：000，001，010，011，100，101，110，111）。這些排列組合構成了量子疊加态的基礎——我們的N個量子比特可以“同時”（以一定幾率）處在種狀态上，類似于我們的一隻量子灰貓可以“同時”處在黑和白兩種狀态。換句話說，基于N個量子比特的量子計算機可以對種狀态進行并行處理，進而達到經典計算機無法企及的計算能力（假設N足夠大）。
然而，成功制造出一台強大的量子計算機遠非易事。這其中最大的障礙是量子退相幹。簡單的說，量子退相幹會破壞我們的量子疊加态，是我們在日常生活中很難直接看到奇特的量子現象的“罪魁禍首”。量子退相幹的來源又是無處不在的——溫度、外界環境的各種幹擾都能帶來量子退相幹。要想有效的克服量子退相幹，一個非常有吸引力的方案就是拓撲量子計算。
拓撲是數學的分支，它不關心物體局部的細節，而隻關心整體的分立化的性質。舉個例子，一個茶杯在拓撲上可以等于一個甜甜圈，因為它們都有一個孔。茶杯的孔是把手的地方，甜甜圈的孔當然是它中間的孔。另外一方面，一個球和任何一個沒有孔的東西是等價的，因為你總是可以把它捏成另一個東西（見上圖）。當拓撲的概念應用到量子計算中來，就是我們想要找到一種特殊的系統，讓其中的量子比特以及對它們的操作不受局部細節（幹擾）的影響，進而很大程度上避免量子退相幹。在現階段，最接近實作拓撲量子計算的這樣一個特殊的系統是基于奇異的馬約拉納費米子的。
馬約拉納費米子是一種“特立獨行”的費米子。通常的費米子，例如作為代表的電子，和它的反粒子（正電子）具有截然相反的電荷——電子帶負電，正電子帶正電——從這個角度說，我們可以把它們看作一黑一白。然而馬約拉納費米子有點像我們中國的太極，它的反粒子——如果我們想象成把黑白互換——其實就是它自己（見上圖）。但這還不是馬約拉納費米子奇異性質的全部。如果我們把兩個馬約拉納費米子“拼”到一起，我們可能看到兩種結果，如同我們得到黑色或者白色（見下圖）。這很像我們開頭所說的量子灰貓，或者量子比特——唯一的不同，也是根本的不同，是現在這個量子比特由兩個馬約拉納費米子組成，而這兩個馬約拉納費米子可以分處在相距很遠的不同位置。這種分散于空間中的量子比特可以有效的對抗局部幹擾帶來的量子退相幹。
更為有趣的是我們在這樣的量子比特系統中實作計算操作的方法——編織。這裡所說的“編織”是想象在一個平面中分布的若幹個馬約拉納費米子随着時間而互相圍繞運動所形成的圖像（見上圖）。精妙的實體和數學理論告訴我們，通過特定形式的編織，我們能夠實作對馬約拉納費米子量子比特的某些基本操作，進而構成量子計算的基礎。重要的是，這些編織的形式也具有拓撲的意義——如同一件織好的毛衣，無論穿着它的人身形如何，毛衣并無真正分别（除非毛線不幸斷開）。
至今為止，制造一台真正強大的量子計算機，無論是拓撲的還是非拓撲的，仍舊是實體學家們夜以繼日奮力追求的目标。但是我們有理由相信，美妙的實體将在不遠的未來通過量子計算再次為人類的生活帶來深刻的變化。
在講座的最後，李牮博士介紹了西湖大學的辦學理念、發展思路、建設進展。談及加入西湖大學暨浙江西湖高等研究院的初衷，他這樣說道，“對我而言，科研中的未知往往是财富：我享受它帶來的煎熬，更享受解開未知後的驕傲。西湖高研院亦是這樣的未知，我将緻力于将她變成我和所有人的驕傲。”
附：李牮博士個人簡介
李牮（1981-），湖北武漢人，曾為普林斯頓大學實體系博士後。2002年于西北大學獲學士學位并保送進入中科院實體所；2004年轉入中國香港大學并于2008年獲得博士學位；2008年底至2013年在瑞士日内瓦大學從事博士後研究；2013年至2017年在美國普林斯頓大學從事博士後研究。 現為浙江西湖高等研究院理學研究所研究員。