马约拉纳费米子：推动量子计算的“天使粒子”

据《人民日报》报道，以华人科学家为主体的科研团队找到了正反同体的“天使粒子”——马约拉纳费米子，从而结束了国际物理学界对这一神秘粒子长达80年的漫长追寻。该成果由加利福尼亚大学洛杉矶分校何庆林、王康隆课题组，美国斯坦福大学教授张首晟课题组和上海科技大学寇煦丰课题组等多个研究团队共同完成，论文通讯作者为何庆林、寇煦丰、张首晟、王康隆。那么，马约拉纳费米子到底是什么？它是如何被发现的？科研人员为什么要研究它？ 

张首晟接受采访。（赵永新/人民网）

马约拉纳费米子是什么？

据新华网报道，在物理学领域中，费米子和玻色子这两大家族是构成物质的基本粒子。过去，物理学家认为，每个费米子必然有其反粒子。唯独有一位名叫马约拉纳的物理学家认为，宇宙一定有“正反同体”的粒子存在。科学家将这种“正反同体”的粒子称作马约拉纳费米子，它是一个比已知最小物理单位量子还小的单位。此外，由于这种粒子具有“正反同体”的特性，所以张首晟将手性（《西宁晚报》介绍，手性的含义大致可以认为是这种粒子只沿一个方向运动，通常被认为有可能用来实现低能耗的信息传输和处理）马约拉纳费米子命名为“天使粒子”。

马约拉纳费米子是如何被发现的？

张首晟在接受人民网科技频道采访时表示，马约拉纳费米子的发现得益于先前对量子反常霍尔效应的探索。2008年张首晟就预言了量子反常霍尔效应，该效应在2013年被证实。随后，他预言手性马约拉纳费米子存在于一种由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。

张首晟团队提出的搜寻马约拉纳费米子的实验平台：由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。（图片来源：人民网国际频道）

据新华网报道，普通粒子在量子反常霍尔效应实验中，会随着外磁场的调节，呈现出整数量子平台。由于马约拉纳费米子没有反粒子，相当于半个传统粒子，因此科学家们推测，如果将其置于量子反常霍尔效应薄膜上，会出现半整数量子平台。为了证实这一点，研究人员搭建了一个将普通超导体薄膜置于量子反常霍尔效应薄膜（即磁性拓扑绝缘体）之上的混合器件。在施加低强度外磁场后，测量到了半整数量子平台，这成为手性马约拉纳费米子存在的实验证据。

研究马约拉纳费米子的意义是什么？

据新华社报道，马约拉纳费米子的发现，对构建拓扑量子计算机意义重大。我们可以通过一个对比数据来了解一下量子计算的惊人效率：世界上最快的超级计算机100年才能完成的计算量，拓扑量子计算机0.01秒就能完成。之前，由于受到材料限制，量子计算难以实现，而马约拉纳费米子的出现解决了量子比特不稳定的问题，让拓扑量子计算真正走出“纸面”、走向应用。此外，手性马约拉纳费米子的发现对我们的日常生活也具有重要意义，它将推动人工智能实现“量子的跳跃”，简化人工智能的算法步骤，让人工智能更好地服务于人类。（张茜）

本文由中科院物理所副研究员罗会仟进行科学性把关，专家主要研究领域为超导、电子、电磁、半导体、自动化、中子散射等。