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世界上是否存在一種粒子，它的反粒子就是自己本身？

這個問題在提出 80 余年后，終于得到了肯定的回答。

2016 年，中美科學家首次聯合捕獲到了這種粒子——「馬約拉納費米子」（Majorana fermion）。

近日，麻省理工學院物理系、印度理工學院物理系、加州大學河濱分校物理學與天文學系、香港科技大學物理學系的一組研究人員更是在我們都不陌生的金屬「金」中觀察到了馬約拉納費米子，相關論文于 2020 年 4 月 6 日發表于《美國國家科學院院刊》（PNAS）。

鑒于其獨特的屬性，馬約拉納費米子是制造量子計算機的完美選擇之一。因此，這一發現無疑推動了容錯量子計算機的研發，向人類量子計算之夢的實現又邁進了一步。

神秘的粒子

物理學中，能夠以自由狀態存在的最小物質組成部分便是粒子。粒子又主要分為兩派——費米子（fermion，如電子、質子）和玻色子（Boson，如光子、介子）。

其中，費米子即一切自旋（Spin）為 1/2 的粒子，這一概念最早由曾于 1933 年與薛定諤共同獲得諾貝爾物理學獎的量子力學奠基人之一 Paul Dirac 提出。Paul Dirac 認為，每個費米子在宇宙中都存在著一個與之相對的反粒子，二者就像脾氣完全相反的一對雙胞胎一樣，二者產生的能量甚至可能讓它們瞬間湮滅。

不過，1937 年，意大利物理學家 Ettore Majorana 預言，存在一種特殊的費米子，它們的反粒子和自己的長相、脾氣都完全一樣，也就是說，它們的反粒子就是自己本身，在量子計算中可被用來形成穩定的比特。

后來，這種特殊的費米子被命名為“馬約拉納費米子”（Majorana fermion，因 Ettore Majorana 得名），為便于區分，傳統認知里的費米子通常被稱為“狄拉克費米子”（Dirac fermion，因 Paul Dirac 得名）。

然而，此后的 80 多年里，馬約拉納費米子始終只是一個概念而已，令物理學家感到頭痛。

具體來講，想要證實馬約拉納費米子存在的猜想，需要觀察到 1937 年 Ettore Majorana 提出的一種名為「雙 β 衰變」（double-β decay）的現象。

經過幾十余年的努力，1987 年，加州大學爾灣校區 Michael Moe 團隊最早在實驗室成功觀測到硒-82 的雙 β 衰變。

此后，不少實驗都成功觀測到其他同位素的尋常雙 β 衰變，但無一能為證實上述猜想提供正面的結果。

終于，2016 年 6 月 22 日，上海交通大學、浙江大學、南京大學與美國麻省理工學院團隊合作，率先觀測到了在拓撲超導體渦旋中存在馬約拉納費米子的重要證據。

這一成果意味著人類在量子物理學領域取得了重大突破，同時也表明，在固體中實現拓撲量子計算成為可能。

容錯量子計算

「量子優勢」的說法我們可能已經不陌生了，它是指量子計算機在處理任務時能夠完虐最強的經典超級計算機。

但事實上，正如中國科學院院士、量子計算泰斗姚期智教授在第五屆騰訊 WE 大會上演講時所說：

目前我們已經進入了一個能看到量子計算機將要做出來的時間段——即最后一里路。不過，這「最后一里路」，不僅非常艱難，而且耗時也會很長。

雷鋒網了解到，量子計算難以實現的原因之一就在于“噪聲”。從量子比特中的熱量或從更深層的量子物理過程中產生的隨機波動，將可能導致計算失敗。

面對這種噪聲，研究人員并非沒有給出解決方案，目前主要有兩種方式：

• 多數決定法：數一數哪一種比特（0 或 1）比較多，多的那一種應該是正確的；

• 宇稱查驗：查驗相鄰比特的取值是否相同，不同則意味著其中一個出錯了。

在這里，便出現了一個「容錯閾值」的概念，即量子糾錯能達到預期效果的前提——宇稱查驗過程中產生的錯誤不會使得錯誤數量增加。

不過，糾錯會大幅增加計算成本，原因在于計算能力都被用來糾錯，而不是運行算法。

因此，研究人員可以說是另辟蹊徑，提出了新方案，主動“適應噪聲”，即容錯量子計算。而實現容錯量子計算需要錯誤率明顯低于閾值（0.1% 左右）以及百萬以上的量子比特。就目前而言，這還是無法實現的。

「金」中的馬約拉納費米子

而在上述論文中，研究團隊提到，他們在金中發現的馬約拉納費米子，適用于標準的納米制造技術，可以用于容錯量子計算機的量子位構建塊，因此有望推動容錯量子計算的發展。

具體來講，研究團隊設計、制造了一種材料系統，該系統由生長在超導材料釩上的約為 4 納米厚的金納米線組成，并分布有細小的硫化銪鐵磁體。研究團隊在掃描到硫化銪附近的表面時，發現了金表面上信號尖峰能量為零。

根據理論，這些現象只能由馬約拉納費米子對產生。

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其實這一發現也并不是偶然，論文合著者之一 Patrick Lee 大概 10 年前就已經萌生出了或許能在常見金屬材料中發現馬約拉納費米子的想法。

而這一想法背后的原因在于，雖然科學家們長期以來一直在半導體中尋找馬約拉納費米子，將半導體與超導體結合在一起，為半導體賦予超導性能，半導體中的粒子分裂后即能形成馬約拉那費米子對。但實際上，金屬與超導體相鄰時也會具有超導性能。

對此，另一位論文合著者 Jagadeesh Moodera 表示：

值得注意的是，我們的材料制備方法比傳統的‘基于半導體生成量子位’的方法更為穩定，我們的材料系統是一個將金放置在鐵磁體與超導體間的‘三明治’結構。從另一個角度來說，這也使其在造價上具有更大的商業化優勢。