在金中發(fā)現(xiàn)的馬約拉納粒子，有助于高容錯量子計算機研發(fā)

（文章來源：DeepTech）

美國麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家日前成功在一種常見金屬——“金”（沒錯，就是金子的金）的表面，實際觀察到了馬約拉納粒子，證明了其存在。這為高 “容錯” 型量子計算機研發(fā)開啟了新的可能。這項研究發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上。

費米粒子（Fermions）是物理學(xué)中的一種基本粒子，一切自旋（Spin）為 1/2 的粒子，比如電子、質(zhì)子和中子，其實在分類上都是費米粒子。費米粒子的概念最早由英國物理學(xué)家保羅 · 狄拉克（Paul Dirac） 提出，認(rèn)為每個費米粒子在宇宙中都存在著一個與之相對的反粒子。

后來到了 1937 年，意大利物理學(xué)家艾托爾 · 馬約拉納（Ettore Majorana）進(jìn)一步發(fā)展了該理論，認(rèn)為費米粒子中有些粒子，也就是我們這里所說的馬約拉納粒子，與其反粒子在各項性質(zhì)上其實是無法區(qū)分的。這后來在物理學(xué)界掀起了一股尋找馬約拉納粒子的熱潮，甚至一直持續(xù)到了現(xiàn)在。

此前已有理論認(rèn)為，中微子就是馬約拉納粒子的一種，但沒有實證。除此之外，也有理論提出，馬約拉納粒子或能在一些特殊條件下在固體中被觀察到。而麻省理工學(xué)院的這項研究給出了實證。

該研究通過設(shè)計并培養(yǎng)在超導(dǎo)材料 “釩” 上生長的納米級金絲，在金絲上層表面檢測電導(dǎo)率確認(rèn)材料的超導(dǎo)區(qū)域，然后再觀察在這些金絲上所分布的，具有 “磁性”的微型硫化銪（Europium Sulfide，其磁性能提供產(chǎn)生馬約拉納粒子的磁場）“小島”，并最終成功在能譜中檢測到了代表著 “馬約拉納粒子存在” 的接近零的能量特征信號。

麻省理工學(xué)院物理系資深研究員 Jagadeesh Moodera 說：“很久以來，我們都在想盡辦法想在實驗中實際檢測到馬約拉納粒子的存在，而現(xiàn)在我們做到了，且證明了它們可被以一種穩(wěn)定的方式輕松拓展。”論文共同作者、麻省理工學(xué)院的 Patrick Lee 認(rèn)為，鑒于他們已經(jīng)成功發(fā)現(xiàn)，并在一定程度了探究了“馬約拉納粒子的可拓展性”，下一步的有關(guān)研究方向或是量子計算機中的量子比特開發(fā)。

在量子計算機的研發(fā)過程中，此前就曾有人提出過 “將馬約拉納粒子當(dāng)做量子比特” 的想法，即一個量子比特由一對馬約拉納粒子構(gòu)成，計算中可能出現(xiàn)的 “噪聲” 只會影響兩個馬約拉納粒子中的一個，從而使另一個正常工作，讓量子計算機免受 “噪聲” 影響，持續(xù)計算。

然而，雖然人們以前一直致力于在半導(dǎo)體，或超導(dǎo)材料中尋找因材料超導(dǎo)而導(dǎo)致的粒子分裂所可能會產(chǎn)生的馬約拉納粒子，而且就在此次研究發(fā)表前，科學(xué)家們還很難將這種超導(dǎo)材料的大小按量子計算所需的比例在材料生長過程中放大，以確實地觀察到馬約拉納粒子并對其加以利用。

Patrick Lee 在大概 10 年前帶一個研究生做項目的時候，萌生了 “或許我們也可以從常見類金屬材料中試試看能不能找到馬約拉納粒子” 的想法，其背后的邏輯在于，金屬在與超導(dǎo)體相鄰時會變得超導(dǎo)，而在實驗中，科學(xué)家們也經(jīng)常會將包括金在內(nèi)的各種金屬制成超導(dǎo)材料，而如果我們能將金制為超導(dǎo)材料，并檢測其表面（材料頂層）的原子狀態(tài)，金就有可能能被作為一個 “干凈” 的、用以檢測馬約拉納粒子是否存在的精確原子系統(tǒng)。而根據(jù) Jagadeesh Moodera 此前在鐵磁絕緣子上研究，如果這種絕緣子被放在超導(dǎo)金的表面，研究人員就很有可能能在其中發(fā)現(xiàn)馬約拉納粒子存在的證據(jù)，而這也最終讓發(fā)現(xiàn)了這一點的 Patrick Lee 和 Jagadeesh Moodera 走到了一起。

Jagadeesh Moodera 說：“除了確實發(fā)現(xiàn)馬約拉納粒子的存在，另一個值得注意的點是，我們在此次研究中的材料制備方法較傳統(tǒng)的‘基于半導(dǎo)體生成量子位’的方法更為穩(wěn)定，材料本身只是一個將金放置在鐵磁體與超導(dǎo)體間的‘三明治’結(jié)構(gòu)，而這也使其在造價上具有相對來說更可能被商業(yè)化的優(yōu)勢?！?br /> （責(zé)任編輯：fqj）