容错量子计算新突破！困扰物理学界 80 余年的马约拉纳费米子首次在金属中捕获到

世界上是否存在一种粒子，它的反粒子就是自己本身？

这个问题在提出 80 余年后，终于得到了肯定的回答。

2016 年，中美科学家首次联合捕获到了这种粒子——「马约拉纳费米子」（Majorana fermion）。

近日，麻省理工学院物理系、印度理工学院物理系、加州大学河滨分校物理学与天文学系、香港科技大学物理学系的一组研究人员更是在我们都不陌生的金属「金」中观察到了马约拉纳费米子，相关论文于 2020 年 4 月 6 日发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）。

鉴于其独特的属性，马约拉纳费米子是制造量子计算机的完美选择之一。因此，这一发现无疑推动了容错量子计算机的研发，向人类量子计算之梦的实现又迈进了一步。

神秘的粒子

物理学中，能够以自由状态存在的最小物质组成部分便是粒子。粒子又主要分为两派——费米子（fermion，如电子、质子）和玻色子（Boson，如光子、介子）。

其中，费米子即一切自旋（Spin）为 1/2 的粒子，这一概念最早由曾于 1933 年与薛定谔共同获得诺贝尔物理学奖的量子力学奠基人之一 Paul Dirac 提出。Paul Dirac 认为，每个费米子在宇宙中都存在着一个与之相对的反粒子，二者就像脾气完全相反的一对双胞胎一样，二者产生的能量甚至可能让它们瞬间湮灭。

不过，1937 年，意大利物理学家 Ettore Majorana 预言，存在一种特殊的费米子，它们的反粒子和自己的长相、脾气都完全一样，也就是说，它们的反粒子就是自己本身，在量子计算中可被用来形成稳定的比特。

后来，这种特殊的费米子被命名为“马约拉纳费米子”（Majorana fermion，因 Ettore Majorana 得名），为便于区分，传统认知里的费米子通常被称为“狄拉克费米子”（Dirac fermion，因 Paul Dirac 得名）。

然而，此后的 80 多年里，马约拉纳费米子始终只是一个概念而已，令物理学家感到头痛。

具体来讲，想要证实马约拉纳费米子存在的猜想，需要观察到 1937 年 Ettore Majorana 提出的一种名为「双 β 衰变」（double-β decay）的现象。

经过几十余年的努力，1987 年，加州大学尔湾校区 Michael Moe 团队最早在实验室成功观测到硒-82 的双 β 衰变。

此后，不少实验都成功观测到其他同位素的寻常双 β 衰变，但无一能为证实上述猜想提供正面的结果。

终于，2016 年 6 月 22 日，上海交通大学、浙江大学、南京大学与美国麻省理工学院团队合作，率先观测到了在拓扑超导体涡旋中存在马约拉纳费米子的重要证据。

这一成果意味着人类在量子物理学领域取得了重大突破，同时也表明，在固体中实现拓扑量子计算成为可能。

容错量子计算

「量子优势」的说法我们可能已经不陌生了，它是指量子计算机在处理任务时能够完虐最强的经典超级计算机。

但事实上，正如中国科学院院士、量子计算泰斗姚期智教授在第五届腾讯 WE 大会上演讲时所说：

目前我们已经进入了一个能看到量子计算机将要做出来的时间段——即最后一里路。不过，这「最后一里路」，不仅非常艰难，而且耗时也会很长。

雷锋网了解到，量子计算难以实现的原因之一就在于“噪声”。从量子比特中的热量或从更深层的量子物理过程中产生的随机波动，将可能导致计算失败。

面对这种噪声，研究人员并非没有给出解决方案，目前主要有两种方式：

• 多数决定法：数一数哪一种比特（0 或 1）比较多，多的那一种应该是正确的；

• 宇称查验：查验相邻比特的取值是否相同，不同则意味着其中一个出错了。

在这里，便出现了一个「容错阈值」的概念，即量子纠错能达到预期效果的前提——宇称查验过程中产生的错误不会使得错误数量增加。

不过，纠错会大幅增加计算成本，原因在于计算能力都被用来纠错，而不是运行算法。

因此，研究人员可以说是另辟蹊径，提出了新方案，主动“适应噪声”，即容错量子计算。而实现容错量子计算需要错误率明显低于阈值（0.1% 左右）以及百万以上的量子比特。就目前而言，这还是无法实现的。

「金」中的马约拉纳费米子

而在上述论文中，研究团队提到，他们在金中发现的马约拉纳费米子，适用于标准的纳米制造技术，可以用于容错量子计算机的量子位构建块，因此有望推动容错量子计算的发展。

具体来讲，研究团队设计、制造了一种材料系统，该系统由生长在超导材料钒上的约为 4 纳米厚的金纳米线组成，并分布有细小的硫化铕铁磁体。研究团队在扫描到硫化铕附近的表面时，发现了金表面上信号尖峰能量为零。

根据理论，这些现象只能由马约拉纳费米子对产生。

其实这一发现也并不是偶然，论文合著者之一 Patrick Lee 大概 10 年前就已经萌生出了或许能在常见金属材料中发现马约拉纳费米子的想法。

而这一想法背后的原因在于，虽然科学家们长期以来一直在半导体中寻找马约拉纳费米子，将半导体与超导体结合在一起，为半导体赋予超导性能，半导体中的粒子分裂后即能形成马约拉那费米子对。但实际上，金属与超导体相邻时也会具有超导性能。

对此，另一位论文合著者 Jagadeesh Moodera 表示：

值得注意的是，我们的材料制备方法比传统的‘基于半导体生成量子位’的方法更为稳定，我们的材料系统是一个将金放置在铁磁体与超导体间的‘三明治’结构。从另一个角度来说，这也使其在造价上具有更大的商业化优势。

引用来源：

[1] https://news.mit.edu/2020/first-majorana-fermion-metal-quantum-computing-0410

[2] https://www.pnas.org/content/early/2020/04/03/1919753117/tab-article-info

[3] https://www.guancha.cn/Science/2016_06_22_365052_s.shtml

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