大自然對孤獨者的獎賞

王琳琳+周琳

近日，美國《科學》雜志報告說，多位華人科學家領銜的團隊，首次發現了被稱為“天使粒子”的馬約拉那費米子的存在證據，破解了困擾物理學界整整80年的難題。

多位頂尖物理學家認為，“天使粒子”的出現讓科學家終于找到了絕佳的量子計算機材料，將大幅提升現有計算速度和效率，進而引發人工智能等行業的深刻變革，是一項里程碑式的發現。

“天使粒子”即馬約拉那費米子，是一個比已知最小物理單位量子還小的單位。

在物理學領域，構成物質的基本粒子有兩大家族，費米子和玻色子。過去，物理學家認為，每個費米子必然有其反粒子。唯獨一位名叫馬約拉那的物理學家認為，宇宙一定有“正反同體”的粒子存在。科學家將這種“正反同體”的粒子稱作馬約拉那費米子。

80年來，物理學家為找到這種“正反同體”的粒子展開了艱辛探索。2010年至2015年，中科院外籍院士、美國斯坦福大學與清華大學教授張首晟團隊發表了3篇論文，精準預言了用什么材料的器件、怎樣的實驗方案、如何測量能夠找到“正反同體”的粒子。而后，美國加利福尼亞大學洛杉磯分校、美國加利福尼亞大學戴維斯分校、美國加利福尼亞大學歐文分校和上?？萍即髮W等實驗團隊依照張首晟的理論預測，成功發現了手性馬約拉那費米子。

張首晟將手性馬約拉那費米子命名為“天使粒子”。他說，這個靈感源于小說《天使與魔鬼》?！斑@部作品描述了正反粒子湮滅爆炸的場景。過去我們認為有粒子必有其反粒子，正如有天使必有魔鬼。但今天，我們找到了一個沒有反粒子的粒子，一個只有天使、沒有魔鬼的完美世界。”

在尋找“天使粒子”的過程中，張首晟坦言，從事基礎科學研究，他的內心是孤獨的?！坝袝r一個新穎的想法，大家可能根本不理解。有時，道路眼看就要到終點了，突然發現整個都不對，這種心情是極為痛苦的。”

該實驗設計的主要貢獻人、美國加利福尼亞大學洛杉磯分校的王康隆也說，“天使粒子”的發現是“偶然中的驚喜”?！拔覀冏畛醯脑O想是找到一種理想的拓撲絕緣體薄膜材料，因此累積生產了3000多片薄膜，但在實驗過程中，我們發現這套設計方案非常適合觀測‘天使粒子，所以做了重新規劃。”

雖然張首晟團隊2015年就預言，如果在磁性拓撲絕緣體上面再疊加一個超導體，就會組成拓撲超導體，由此將找到“天使粒子”，但將磁性的拓撲絕緣體與超導體疊加并不簡單。

上?？萍即髮W信息科學與技術學院助理教授寇煦豐說，磁性拓撲絕緣體和超導體這兩個材料會互相影響，要找到一個準確窗口，讓這兩個對抗的材料互不干擾非常難。最終，在美國加利福尼亞大學戴維斯分校和洛杉磯分校的共同努力下，合成了這種疊加器件。

經歷了一次次無功而返和對材料參數的不斷優化，王康隆團隊終于抓到了機遇窗口，在電學測量實驗中成功觀測到了張首晟團隊理論預言的“半整數量子臺階”，也是“天使粒子”存在的證據。

“第一次觀測到‘天使粒子時驚喜而振奮，這是大自然對孤獨者的獎賞！”張首晟回憶，論文送審期間，他們還在不斷復盤，確保結論經得住檢驗。

王康隆說：“審稿人審了整整一年，他們每提出一個疑問，我們都會用30多頁紙回復。為此，我們增加了很多補充實驗?！?/p>

“天使粒子”的發現對構建拓撲量子計算機意義重大。世界上最快的超級計算機100年才能完成的計算量，拓撲量子計算機0.01秒就能完成。盡管計算效率驚人，但業界認為，量子計算距離真正應用至少要50年，因為科學家還沒找到合適的量子計算材料。

“天使粒子”的發現破解了這一難題。張首晟說，量子比特很不穩定，用它存儲信息，稍有一點干擾就會讓信息瞬間丟失。相反，“天使粒子”只有量子比特的一半，如果將兩個“天使粒子”放得遠一點，它們就會變得極其穩定，即便環境嘈雜，信息也不會丟失。

王康隆說，“天使粒子”的發現讓拓撲量子計算真正走向應用?！敖酉聛?，觀測并操控‘天使粒子是實現拓撲量子計算最基礎的工作。我們將著力讓兩到三個‘天使粒子織在一起，通過互相作用進行儲存和計算。”

此外，“天使粒子”還將推動人工智能實現“量子的跳躍”，“人工智能的核心是算法。如果依托量子計算機開展運算，人工智能就可以將以前多個步驟才能完成的計算簡化為一步，從而最快找到最優化解決途徑，這將引發各行業的深刻變革。”張首晟說。

在科技革命、產業革命加速變革的當下，有人說，原始創新難上加難。為何這一次華人科學家能在西方主導的基礎科學研究領域嶄露頭角？張首晟認為，這得益于跨界思維。

“拓撲是經典的數學概念，絕緣體是一種材料。通常，這兩個領域的科學家會在各自的領域內思考問題，采用窮舉法，把每種可能性都試一遍，效率很低?！睆埵钻烧f，采用跨界思維，他將數學與材料學融合，很快在理論上預言了找到理想材料的方法、條件和方案。

“理論預言接連被證實啟示我們，科學研究需要進入下一個認知階段，告別傳統的窮舉法，跨界可以加速科研成果的發現進程。在拓撲量子的領域，每一個材料、器件與效應都是最先由理論預言出來的?！睆埵钻烧f。（據新華社）endprint