7月21日，有關(guān)物理學(xué)獲得重大突破、科學(xué)家找到“天使粒子”的新聞，引起了物理學(xué)界的廣泛關(guān)注。

在加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校王康隆課題組和美國斯坦福大學(xué)教授張首晟課題組、上海科技大學(xué)寇煦豐課題組等多個(gè)華人科學(xué)家團(tuán)隊(duì)共同努力下，在實(shí)驗(yàn)中觀測到了一維手征馬約拉納費(fèi)米子模。相關(guān)論文發(fā)表在當(dāng)日出版的《科學(xué)》雜志上（論文鏈接）。

發(fā)現(xiàn)馬約拉納費(fèi)米子？

有粒子必有其反粒子，這一度被認(rèn)為是永恒不變的真理。但1937年，意大利理論物理學(xué)家馬約拉納預(yù)言了一種自己是自己反粒子的粒子，也就是如今所說的馬約拉納費(fèi)米子。

該粒子的特殊性質(zhì)，令物理學(xué)界對(duì)相關(guān)研究十分關(guān)注。因而，此次相關(guān)成果對(duì)外發(fā)布后，實(shí)驗(yàn)是否真正觀測到了馬約拉納費(fèi)米子，也成為了人們關(guān)注的一大焦點(diǎn)。

“這次宣布的發(fā)現(xiàn)是一維手征馬拉約那費(fèi)米子，它是一個(gè)只能在一維線上往一個(gè)方向跑的自己是自己反粒子的費(fèi)米子。”麻省理工學(xué)院教授文小剛告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者，這與高能物理尋找80年的馬約拉納費(fèi)米子很不相同，該馬約拉納費(fèi)米子是三維的。

事實(shí)上，上世紀(jì)90年代，科學(xué)家就預(yù)言了一維手征馬約拉納費(fèi)米子，又稱“天使粒子”，可以出現(xiàn)在二維手征p波超導(dǎo)體的邊界上。

“這次的新工作發(fā)現(xiàn)了一個(gè)具體的界面系統(tǒng)，可以模擬或者實(shí)現(xiàn)二維手征p波超導(dǎo)體，從而也實(shí)現(xiàn)了一維手征馬拉約那費(fèi)米子。”文小剛告訴記者。

有專家通過查閱此次成果在《科學(xué)》雜志發(fā)表的文章后也證實(shí)，文章表述的是團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中觀測到了一維手征馬約拉納費(fèi)米子模，也就是文小剛所說的一維手征馬拉約那費(fèi)米子。

專家解釋稱，這說明科學(xué)家通過觀察輸運(yùn)性質(zhì)看到了馬約拉納模，也就是在電子準(zhǔn)粒子系統(tǒng)中，看到了類似于馬約拉納費(fèi)米子的量子態(tài)。

此粒子非彼粒子？

“當(dāng)代凝聚態(tài)物理中涉及到的這些所謂‘新粒子’，無論是外爾費(fèi)米子還是馬約拉納費(fèi)米子，都是在‘準(zhǔn)粒子’或‘元激發(fā)’意義上而言的。”中科院物理所研究員戴希解釋稱。

所謂的準(zhǔn)粒子，實(shí)際上并不是一個(gè)粒子，而是成千上萬的粒子運(yùn)動(dòng)模式(也就是波)，對(duì)外而言，這種波如同一個(gè)粒子。

專家借此來強(qiáng)調(diào)，此次的發(fā)現(xiàn)，并不是在真實(shí)的光子、電子系統(tǒng)中看到了另外一個(gè)真實(shí)存在的粒子。

“從他們找到的材料體系看，這是近年來凝聚態(tài)物理中第四個(gè)觀察到馬約拉納型準(zhǔn)粒子存在證據(jù)的物理體系，相比前幾個(gè)體系，應(yīng)該說穩(wěn)定性和魯棒性更強(qiáng)。”戴希說。

更重要的是，戴希強(qiáng)調(diào)，此次科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中真正看到了一個(gè)霍爾效應(yīng)的半整數(shù)平臺(tái)，這是存在馬約拉納型準(zhǔn)粒子的一個(gè)重要理論預(yù)言。

文小剛也表示，“這次實(shí)驗(yàn)直接測到的是半整數(shù)量子化電導(dǎo)，它間接意味著手征馬拉約拉費(fèi)米子存在的可能性。”

量子計(jì)算迎來春天？

此次發(fā)布的成果之所以引起如此多的關(guān)注，除了與神秘的馬拉約那費(fèi)米子之間的關(guān)聯(lián)外，也因?yàn)槠錆撛诘膶?shí)用價(jià)值——量子計(jì)算。

戴希告訴記者，與粒子物理中研究的“真實(shí)粒子”相比，粒子物理中發(fā)現(xiàn)的新粒子讓我們對(duì)宇宙的歷史和未來形成更深刻的理解，而凝聚態(tài)里面的這些新“準(zhǔn)粒子”，則給科學(xué)家操控和利用它們提供了巨大的可能性。

專家表示，未來做量子計(jì)算有各種方式，但現(xiàn)在看來拓?fù)涞牧孔佑?jì)算可能是最好的。而拓?fù)渲杏脕碜隽孔佑?jì)算的單元——比特，需要滿足非阿貝爾規(guī)律，馬約拉納零能模，也就是非阿貝爾粒子正好滿足這一規(guī)律，這也是大家把相關(guān)研究與量子計(jì)算關(guān)聯(lián)起來的原因。

“此次實(shí)驗(yàn)用全新的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了二維手征p波超導(dǎo)體，其中的磁旋渦，也應(yīng)該是非阿貝爾粒子。”文小剛曾在1993年的一個(gè)工作指出，邊界上的一維手征馬拉約那費(fèi)米子，意味著體中一定存在非阿貝爾粒子。不過，此次實(shí)驗(yàn)并沒有直接檢測非阿貝爾粒子。

專家同時(shí)也強(qiáng)調(diào)，目前只是測出了邊界上的手征馬約拉納費(fèi)米子，需要有多個(gè)體中的非阿貝爾粒子才能形成量子比特，而量子計(jì)算需要多個(gè)量子比特按要求進(jìn)行運(yùn)算才能實(shí)現(xiàn)。

“畢竟離實(shí)際操控馬約拉納零能模，以實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑?jì)算還有很長的距離要走。”戴希說。

最后，值得一提的是，去年上海交通大學(xué)賈金鋒小組，利用傅亮-Kane的設(shè)計(jì)模擬了p波超導(dǎo)，并得到了非阿貝爾粒子比較強(qiáng)的證據(jù)；兩三年前，物理所的丁洪小組，發(fā)現(xiàn)了在一種鐵基超導(dǎo)體的表面也有非阿貝爾粒子的跡象。

“這次實(shí)驗(yàn)邊界上的手征馬拉約納費(fèi)米子，是非阿貝爾粒子的另一個(gè)間接證據(jù)。所有這些證據(jù)都是間接的，但證據(jù)越多，我們就越有信心。”文小剛說。

《中國科學(xué)報(bào)》記者再次聯(lián)系張首晟以深入了解研究成果的相關(guān)情況，但尚未得到進(jìn)一步回應(yīng)。