馬約拉納費米子：推動量子計算的“天使粒子”

據《人民日報》報道，以華人科學家為主體的科研團隊找到了正反同體的“天使粒子”——馬約拉納費米子，從而結束了國際物理學界對這一神秘粒子長達80年的漫長追尋。該成果由加利福尼亞大學洛杉磯分校何慶林、王康隆課題組，美國斯坦福大學教授張首晟課題組和上海科技大學寇煦豐課題組等多個研究團隊共同完成，論文通訊作者為何慶林、寇煦豐、張首晟、王康隆。那麼，馬約拉納費米子到底是什麼？它是如何被發現的？科研人員為什麼要研究它？ 

張首晟接受採訪。（趙永新/人民網）

馬約拉納費米子是什麼？

據新華網報道，在物理學領域中，費米子和玻色子這兩大家族是構成物質的基本粒子。過去，物理學家認為，每個費米子必然有其反粒子。唯獨有一位名叫馬約拉納的物理學家認為，宇宙一定有“正反同體”的粒子存在。科學家將這種“正反同體”的粒子稱作馬約拉納費米子，它是一個比已知最小物理單位量子還小的單位。此外，由於這種粒子具有“正反同體”的特性，所以張首晟將手性（《西寧晚報》介紹，手性的含義大致可以認為是這種粒子隻沿一個方向運動，通常被認為有可能用來實現低能耗的信息傳輸和處理）馬約拉納費米子命名為“天使粒子”。

馬約拉納費米子是如何被發現的？

張首晟在接受人民網科技頻道採訪時表示，馬約拉納費米子的發現得益於先前對量子反常霍爾效應的探索。2008年張首晟就預言了量子反常霍爾效應，該效應在2013年被証實。隨后，他預言手性馬約拉納費米子存在於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。

張首晟團隊提出的搜尋馬約拉納費米子的實驗平台：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。（圖片來源：人民網國際頻道）

據新華網報道，普通粒子在量子反常霍爾效應實驗中，會隨著外磁場的調節，呈現出整數量子平台。由於馬約拉納費米子沒有反粒子，相當於半個傳統粒子，因此科學家們推測，如果將其置於量子反常霍爾效應薄膜上，會出現半整數量子平台。為了証實這一點，研究人員搭建了一個將普通超導體薄膜置於量子反常霍爾效應薄膜（即磁性拓扑絕緣體）之上的混合器件。在施加低強度外磁場后，測量到了半整數量子平台，這成為手性馬約拉納費米子存在的實驗証據。

研究馬約拉納費米子的意義是什麼？

據新華社報道，馬約拉納費米子的發現，對構建拓扑量子計算機意義重大。我們可以通過一個對比數據來了解一下量子計算的驚人效率：世界上最快的超級計算機100年才能完成的計算量，拓扑量子計算機0.01秒就能完成。之前，由於受到材料限制，量子計算難以實現，而馬約拉納費米子的出現解決了量子比特不穩定的問題，讓拓扑量子計算真正走出“紙面”、走向應用。此外，手性馬約拉納費米子的發現對我們的日常生活也具有重要意義，它將推動人工智能實現“量子的跳躍”，簡化人工智能的算法步驟，讓人工智能更好地服務於人類。（張茜）

本文由中科院物理所副研究員羅會仟進行科學性把關，專家主要研究領域為超導、電子、電磁、半導體、自動化、中子散射等。