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華人科學家找到“天使粒子”
由4位華人科學家領銜的科研團隊終于找到了正反同體的“天使粒子”——馬約拉那費米子，進而結束了國際實體學界對這一神秘粒子長達80年的漫長追尋。
據人民日報7月21日消息，相關論文發表在今天出版的《科學》雜志上。該成果由加利福尼亞大學洛杉矶分校王康隆課題組和美國斯坦福大學教授張首晟課題組、上海科技大學寇煦豐課題組等多個團隊共同完成，通訊作者為何慶林、寇煦豐、張首晟、王康隆，均為華人科學家。
諾貝爾獎獲得者Frank Wilczek評價這項工作時說: 張首晟與團隊設計了全新的體系, 并在實驗中清晰地測量到馬約拉那費米子，這真是一項裡程碑的工作。
國際同行指出：發現馬約拉那費米子是繼發現“上帝”粒子（希格斯波色子）、中微子、引力子之後的又一裡程碑發現，不僅具有重大的理論意義，而且具有重要的潛在應用價值：讓量子計算成為現實。
“神秘的正反同體粒子，讓我們等了80年”
在實體學領域，構成物質的最小、最基本的機關被稱為“基本粒子”。它們是在不改變物質屬性前提下的最小體積物質，也是組成各種各樣物體的基礎。基本粒子又分為兩種：費米子和玻色子，分别以美國實體學家費米和印度實體學家玻色的名字命名。
東方西方哲學家都認為，人類似乎生活在一個充滿正反對立的世界：有正數必有負數，有存款必有負債，有陰必有陽，有善必有惡，有天使必有惡魔。 1928年，偉大的理論實體學家狄拉克(Dirac)作出驚人的預言：宇宙中每一個基本費米粒子必然有相對應的反粒子。根據愛因斯坦E=mc²的質能公式，當一個費米子遇上它的反粒子，它們會互相湮滅，進而使兩個粒子的品質消失并轉化為能量。
從此以後，宇宙中有粒子必有其反粒子被認為是絕對真理。然而，會不會存在一類沒有反粒子的粒子，或者說正反同體的粒子？1937年，意大利理論實體學家埃托雷·馬約拉那（Ettore Majorana）在他的論文中猜測有這樣神奇的粒子存在，即我們今天所稱的馬約拉那費米子。不幸的是，他本人做出這一猜測後在一次乘船旅行中神秘失蹤。自此以後，尋找這一神奇粒子成為了實體學家門夢寐以求的探索目标。
科學家們認為，在粒子實體中，标準模型範疇之外的中微子可能是馬約拉那費米子。而要驗證這一猜想，需要進行無中微子的beta雙衰變實驗。可惜的是，這項實驗所要求的精度在今後的10年到20年以内都難以達到。
張首晟把突破口轉向凝聚态實體。從2010年到2015年，張首晟團隊連續發表三篇論文，精準預言了實作馬約拉那費米子的體系及用以驗證的實驗方案。王康隆等實驗團隊依照張首晟的理論預測，成功發現了手性馬約拉那費米子，為持續了整整80年的科學探索畫上了圓滿的句号。
張首晟将這一新發現的手性馬約拉那費米子命名為“天使粒子”，這個名字來源于丹·布朗的小說及其電影《天使與魔鬼》。“這部作品描述了正反粒子湮滅爆炸的場景。過去我們認為有粒子必有其反粒子，正如有天使必有魔鬼。但今天，我們找到了一個沒有反粒子的粒子，一個隻有天使，沒有魔鬼的完美世界。”張首晟說。
“今天的成果，是建立在發現量子反常霍爾效應的基礎上”
困擾了實體學界80年的難題是怎樣被破解的？張首晟認為，任何科研工作都是建立在已有成果的基礎上。天使粒子的發現，得益于先前對量子反常霍爾效應的探索，也是理論和實驗結合的成果。
最初，張首晟按常理做了一項推斷：既然馬約拉那費米子隻有粒子、沒有反粒子，那麼它就相當于傳統粒子的一半。他很快意識到，“一半”的概念就是解決問題的關鍵。
早在2008年，張首晟理論就預言了量子反常霍爾效應，這一預言在2013年被清華大學教授薛其坤領銜的清華大學實體系和中科院實體研究所聯合組成的實驗團隊證明。在實驗中，随着調節外磁場，反常量子霍爾效應薄膜呈現出量子平台，對應着1、0、-1倍基本電阻機關e2/ h。也就是說，量子世界裡的電阻是量子化的，它隻能整數倍地跳台階。
這給了張首晟一個靈感：馬約拉那費米子是通常粒子的一半，既然通常的粒子按整數跳，馬約拉那費米子或許就是按半整數跳——它一定會呈現出一個奇特的、“1/2的台階”。由此，他預言手性馬約拉那費米子存在于一種由量子反常霍爾效應薄膜和普通超導體薄膜組成的混合器件中。當把普通超導體置于反常量子霍爾效應薄膜之上時，臨近效應使之能夠實作手性馬約拉那費米子，相應的實驗中會多出全新的量子平台，對應 1/2 倍基本電阻機關e2/ h。
中國科大利用量子模拟
首次揭示馬約拉納費米子的量子統計特性
對馬約拉納費米子的研究，中國科學家也早已作出了研究。
據2016年的相關報道，中國科學技術大學郭光燦院士上司的中科院量子資訊重點實驗室在馬約拉納費米子研究方面取得重要進展。該實驗室李傳鋒、許金時、韓永建等與其合作者利用線性光學量子模拟器，首次實驗揭示了馬約拉納費米子的非阿貝爾量子統計特性，并進一步示範了編碼到馬約拉納零模的量子資訊對局域噪聲的免疫特性，為實作拓撲量子計算提供了一種有效的途徑。該研究成果10月25日發表在國際權威期刊《自然•通訊》上。
量子力學教科書告訴我們，微觀粒子分為費米子和玻色子兩類，他們可以用兩個全同粒子交換後總體波函數的變化加以區分。如果兩個全同粒子的整體波函數在交換後不變，則是玻色子，符合玻色-愛因斯坦統計，比如光子等；如果交換後的整體波函數多出一個負号，則是費米子，符合費米-狄拉克統計，比如電子等。這些交換後僅僅多出一個整體相位的粒子都滿足阿貝爾量子統計。然而大自然奧妙無窮，還可能存在另一類粒子，它們交換之後整個的波函數會經曆一個幺正變換（不僅僅是多出一個整體的相位）。1937年，意大利實體學家馬約拉納基于相對論和量子力學提出了一種新奇粒子，現在稱為馬約拉納費米子。馬約拉納費米子的反粒子是其自身，更令人矚目的是它具有非阿貝爾量子統計特性，即兩個馬約拉納費米子交換後等價于對總體波函數做一個幺正變換。
馬約拉納費米子提出近80年來，科學家們一直緻力于尋找這一神秘的粒子。有人猜測中微子可能是一種馬約拉納費米子，可是要交換兩個中微子驗證其量子統計特性是極其困難的。近年來的理論研究表明，凝聚态系統中的馬約拉納零模是具有馬約拉納費米子特性的準粒子，它是實作長時間量子存儲和拓撲量子計算的理想載體。實作馬約拉納零模的交換是确定它的統計特性以及實作拓撲量子計算的關鍵步驟。盡管在凝聚态系統中實驗實體學家們進行了長期的探索研究，已找到一些表明馬約拉納零模存在的證據，但依然沒有實作關鍵性的交換操作和量子統計特性的研究。
量子模拟器是專用的量子計算機，通過設計專門的量子邏輯線路有效地解決特殊的問題。李傳鋒研究組近年來自主研發出線性光學量子模拟器并取得一系列研究進展，積累了豐富的經驗。本實驗中他們巧妙地設計出一個基于耗散的四量子比特（三個工作比特加一個輔助比特）的線性光學量子模拟器，利用它有效地産生Kitaev模型（存在馬約拉納零模的最簡單模型）中的馬約拉納零模，并通過耗散過程有效地移動馬約拉納零模，進而完成兩個馬約拉納零模的交換操作，并由此驗證了馬約拉納零模的非阿貝爾統計特性。他們還進一步示範了編碼到馬約拉納零模的量子資訊對局域噪聲的免疫特性。實驗中每項模拟過程的保真度都在94%以上。
本成果對量子統計、拓撲量子計算和馬約拉納費米子的研究具有重要的推動作用。同時，這種基于耗散的量子模拟器也拓展了線性光學量子模拟器的能力。
文章第一作者為許金時教授，理論方案由韓永建教授完成。該工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院和量子資訊與量子科技前沿協同創新中心的資助。
馬約拉納費密子交換示意圖
美國哈佛大學研究團隊制造出最強量子系統
最近，美國哈佛大學研究團隊也在量子計算機的研究方面傳出了好消息。
據《新科學家》雜志網站18日報道，美國哈佛大學研究團隊在近日召開的莫斯科國際量子技術大會上宣布，他們已經制造出迄今最強量子系統，其擁有51個量子比特（Qubit），能模拟一種化學反應，研究原子間互相作用。此前，谷歌公司在4月份曾強勢宣布，将在今年底打造出49個量子比特的量子計算機。
據科技日報7月20日消息，與傳統計算機運用二進制（0和1）記錄資訊不同，量子計算機使用量子疊加态描述資訊，擁有傳統計算機無法比拟的超級計算能力。但現有量子計算機隻能在傳統計算機上進行模拟，目前最高隻能模拟42個量子比特，而隻有超過49個量子比特，量子計算機才能成為超越二進制的超級計算機。
谷歌正在研制的49個量子比特量子系統，都是使用極端低溫狀态下的電子利用超導性儲存資訊。而上司這次研究的俄裔美籍科學家米哈伊爾·盧金介紹說，他們設計了一種全新方法，用雷射将铷原子“圈禁”起來，讓铷原子在雷射束内振動，讓每個铷原子建立一個量子位，進而建構出51個量子比特的新系統。
盧金表示，他們的新量子系統是一種量子模拟器，隻能用來建構一種特定的化學反應式，研究原子間互相作用及藥物在人體内的作用效果。如果需要另一種化學反應式來進行科學研究，必須從零開始重建一個新的量子系統，這些量子模拟器雖然沒有量子計算機複雜，但仍需花費巨資建立。這與谷歌量子系統能建構多種研究模型相比，還存在差距。
原文釋出時間為：2017-03-17
本文作者：羅恩·考恩
本文來源：
量子趣談，如需轉載請聯系原作者。