正反同體的“天使粒子”

羅瓊

從基本科學(xué)發(fā)現(xiàn)到技術(shù)應(yīng)用往往需要多年時間，但天使粒子的發(fā)現(xiàn)意味著量子計算已成為可能。

繼2016年美國科學(xué)家宣布第一次直接探測到引力波的存在，找到了愛因斯坦廣義相對論的最后一塊拼圖后，物理學(xué)又迎來重大突破：由4位華人科學(xué)家領(lǐng)銜的科研團隊終于找到了正反同體的“天使粒子”——馬約拉納（Majorana）費米子，為持續(xù)了整整80年的科學(xué)探索畫上了圓滿的句號。從2010年到2015年，斯坦福大學(xué)的張首晟團隊連續(xù)發(fā)表三篇論文，精準(zhǔn)預(yù)言了實現(xiàn)馬約拉納費米子的體系及用以驗證的實驗方案。加州大學(xué)洛杉磯分校的王康隆等實驗團隊依照張首晟的理論預(yù)測，成功發(fā)現(xiàn)了手性馬約拉納費米子。這顆粒子的發(fā)現(xiàn)將引發(fā)新一輪電子計算革命。

基本粒子是什么

在物理學(xué)領(lǐng)域，構(gòu)成物質(zhì)最小、最基本的單位被稱為“基本粒子”。它們是在不改變物質(zhì)屬性前提下的最小體積物質(zhì)。基本粒子又分為兩種：費米子和玻色子，分別以美國物理學(xué)家費米和印度物理學(xué)家玻色的名字命名。

根據(jù)粒子物理的定義，物質(zhì)由費米子和玻色子兩種基本粒子組成，費米子是構(gòu)成物質(zhì)的原材料（如輕子中的電子、組成質(zhì)子和中子的夸克、中微子）；玻色子是傳遞作用力的粒子（光子、介子、膠子等）。基本粒子要比原子、分子小得多，現(xiàn)有最高倍的電子顯微鏡也不能觀察到。例如，質(zhì)子、中子的大小，只有原子的十萬分之一。而輕子和夸克的尺寸更小，還不到質(zhì)子、中子的萬分之一。

馬約拉納費米子

位列神秘粒子名單的馬約拉納費米子是費米子的一種，其獨特之處在于，它是一個沒有反粒子，或者說反粒子就是其自身的粒子。

東西方哲學(xué)家都認為，人類生活在一個充滿正反對立的世界：有正數(shù)必有負數(shù)，有陰必有陽，有善必有惡，有天使必有惡魔。 1928年，偉大的理論物理學(xué)家狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac）做出驚人的預(yù)言：宇宙中每一個基本費米粒子必然有相對應(yīng)的反粒子。根據(jù)愛因斯坦E = mc2的質(zhì)能公式，當(dāng)一個費米子遇上它的反粒子，它們會相互湮滅，從而使兩個粒子的質(zhì)量消失并轉(zhuǎn)化為能量。

從此以后，宇宙中有粒子必有其反粒子被認為是絕對真理。然而，會不會存在一類沒有反粒子的粒子，或者說正反同體的粒子呢？1937年，意大利理論物理學(xué)家埃托雷·馬約拉納（Ettore Majorana）在他的論文中猜測有這樣神奇的粒子存在，即粒子本身又是其反粒子。該粒子因此被命名為馬約拉納費米子。然而，多年以來，這種粒子一直沒有被真正發(fā)現(xiàn)，所以研究慢慢冷卻。直到20 多年前， 因為量子計算機的研究，才使得這一研究領(lǐng)域再次受到關(guān)注。

主導(dǎo)該研究的王康隆教授認為，馬約拉納費米子正反同體，就像道家的陰陽八卦圖一樣，因此叫“太極粒子”可能更貼切。同為論文作者之一的張首晟教授認為，“天使粒子”是一個完美的世界，只有天使，沒有魔鬼，因此他提出這一新發(fā)現(xiàn)的手性馬約拉納費米子應(yīng)稱為“天使粒子”。對此，作為第一作者的何慶林教授表示， 因為從物理層面來說，馬約拉納費米子陰陽同體且呈現(xiàn)電中性，而且此次成果主要是華人科學(xué)家的突破，所以他更傾向于“太極粒子”這一富有中國哲學(xué)意味的命名。

天使粒子的意義

馬約拉納費米子被發(fā)現(xiàn)，將從哲學(xué)層面挑戰(zhàn)人類對現(xiàn)有世界的認知，即世界不完全是正反對立的，有陰不一定有陽，有天使不一定有魔鬼。除此之外，這一發(fā)現(xiàn)還具有更加現(xiàn)實的意義——在固體中實現(xiàn)拓撲量子計算將成為可能。

20世紀(jì)初，物理學(xué)界掀起量子革命，在顛覆經(jīng)典物理學(xué)、為人們認識世界和宇宙打開新大門的同時，量子世界的波粒二象性、波函數(shù)坍縮等基本數(shù)學(xué)特性，也為科學(xué)家們帶來新的未解謎團。

為了解釋這些現(xiàn)象，科學(xué)家們提出了哥本哈根解釋、多宇宙論、隱變量理論以及退相干歷史等，但至今仍未真正揭開量子論的神秘面紗。盡管如此，量子論的興起依然徹底改變了世界的面貌，核能、計算機技術(shù)、新材料、能源技術(shù)、信息技術(shù)等的發(fā)展，都與量子論密切相關(guān)。

量子論的神秘吸引著大批科學(xué)家投身其中，在量子論的影響下，物理學(xué)者們已經(jīng)達成共識，認為物質(zhì)是由基本粒子組成的，而對粒子與力的探尋，將能真正揭開宇宙的奧秘。為此，科學(xué)家們提出了許多理論假設(shè)，在物理學(xué)中有一份表單，囊括了那些人類夢寐以求的神秘粒子。發(fā)現(xiàn)馬約拉納費米子是繼發(fā)現(xiàn)上帝粒子（希格斯波色子）、中微子、引力子之后的又一里程碑式發(fā)現(xiàn)，不僅具有重大的理論意義，而且具有重要的潛在應(yīng)用價值：讓量子計算成為現(xiàn)實。

助力量子計算

如果將量子計算機比喻成一架飛機，那么我們現(xiàn)在普通的計算機充其量也就是輛自行車。馬約拉納費米子是新一代拓撲量子計算的基石，而量子計算可以顛覆傳統(tǒng)電子計算機，因為它的計算速度和計算能力都比現(xiàn)在電子計算機強大得多。因此，不僅科技巨頭，甚至國家之間都展開了對量子計算機的研究競賽。目前，馬約拉納費米子是制造量子計算機的完美候選對象。

著名的光學(xué)雙縫實驗證明，量子世界呈現(xiàn)波粒二象性，粒子可以同時穿過兩道縫隙——這顯然與常識相違背，一個人不可能同時出現(xiàn)在上海和北京，但在量子世界，這是真實存在的現(xiàn)象。盡管科學(xué)家們尚無法解答這一疑問，但量子世界的特點卻為計算機的發(fā)展提供了全新思路。由于量子世界本質(zhì)上是并行的，一個量子粒子能夠同時穿過兩個狹縫，所以量子計算機能夠進行高度并行的量子計算，這遠比經(jīng)典計算機有效。以算術(shù)問題為例，如果給出一個很大的數(shù)字，問這個數(shù)字能否被拆成兩個數(shù)字的乘積，那么經(jīng)典計算機只能用窮舉法逐一嘗試整除計算，而量子計算機可以在一瞬間同時完成所有可能項的測算。

然而，量子計算的實現(xiàn)面臨一個非常大的挑戰(zhàn)：一個量子比特（qbit）的信息非常難以存儲，微弱的環(huán)境噪聲就能夠毀滅其量子特性。量子比特難以儲存的原因來自量子糾纏的特性，量子糾纏被愛因斯坦稱之為“鬼魅般的超距作用”，以電子的“自旋”為例，兩個相互糾纏的電子對，當(dāng)其中一個順時針轉(zhuǎn)時，另一個就逆時針轉(zhuǎn)，量子糾纏可以預(yù)測相隔甚遠的電子對的狀態(tài)，即便它們一個在地球，一個在月球，之間沒有傳輸線相連。如果你在某個時刻觀測到其中一個電子在順時針旋轉(zhuǎn)，那么另一個在同一時刻必定是在逆時針旋轉(zhuǎn)。換句話說，如果你對其中一個粒子進行觀測，那么你不只是影響了它，你的觀測也同時影響了它所糾纏的伙伴，而且這與兩個粒子間的距離無關(guān)。

馬約拉納費米子沒有反粒子，或者說相當(dāng)于半個傳統(tǒng)粒子，這就提供了一種絕妙的可能性：一個量子比特能夠被拆成兩半，存儲在兩個距離十分遙遠的馬約拉納費米子上。如此一來，傳統(tǒng)的噪聲極其難以同時以同樣的方式影響這兩個馬約拉納費米子，進而毀滅所存儲的量子信息，使通常非常脆弱的量子比特儲存方式變?yōu)榉€(wěn)固。

以馬約拉納費米子所構(gòu)建的量子比特來進行信息的計算和存儲，其信息量可以存儲在兩個分離的、獨立的馬約拉納費米子中。要破壞它們所存儲的信息必須同時對這兩個粒子進行同樣的干擾。這樣的一個特性可以使拓撲量子計算和存儲過程減少外界的干擾，存儲更加穩(wěn)定，計算也具有容錯的特性。張首晟團隊所提出的器件同時還是二維體系，從而使得有效的量子計算成為可能。

從基本科學(xué)發(fā)現(xiàn)到技術(shù)應(yīng)用往往需要多年時間，但是科學(xué)家團隊對于“天使粒子”巡游的量子天堂充滿了興奮與期待。拓撲量子計算能夠解決當(dāng)下人類遇到的最艱難的一些問題，從而迎來一個完美的世界。endprint