中國科學(xué)家率先在世界上取得突破，人類首次“捕捉”到神秘的馬約拉納費米子。這一粒子是制造量子計算機(jī)完美候選對象，將為人類打開量子計算之門。

量子計算機(jī)擁有驚人的數(shù)據(jù)處理速度，與目前世界上最快的超級計算機(jī)、每秒12.54億億次的峰值計算速度的“神威·太湖之光”相比，量子計算機(jī)是飛機(jī)，超級計算機(jī)是自行車。

長期以來，人類未能制造出量子計算機(jī)的重要原因，是使用的粒子量子狀態(tài)不穩(wěn)定，但馬約拉納費米子擁有完美的穩(wěn)定性。

可長達(dá)近80年的時間中，人類與該粒子未曾謀面，直到近日。北京時間6月22日，上海交通大學(xué)教授賈金鋒發(fā)現(xiàn)馬約拉納費米子的研究論文在線發(fā)表在國際頂級物理學(xué)刊物《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。

事實上，1937年科學(xué)家就預(yù)言了該粒子的存在，此后關(guān)于該粒子有1萬多篇SCI研究論文發(fā)表。甚至有研究組稱，發(fā)現(xiàn)了該粒子，但其結(jié)果都備受質(zhì)疑。賈金鋒研究團(tuán)隊通過巧妙的實驗設(shè)計,率先觀察到該粒子存在的確鑿證據(jù)：自旋極化電流現(xiàn)象。

眾所周知，世界是由基本粒子組成的，科學(xué)家們認(rèn)為，每一種粒子都有它的反粒子，這些反粒子共同組成了反物質(zhì)世界，當(dāng)物質(zhì)與反物質(zhì)相遇時會產(chǎn)生巨大的能量而湮滅。1937年意大利物理學(xué)家埃托雷·馬約拉納預(yù)言，自然界中可能存在一種與其反粒子完全相同的特殊粒子，也就是馬約拉納費米子。如果真如他所言，那么該粒子在量子計算領(lǐng)域以及解釋宇宙暗物質(zhì)問題方面將具有重要價值。

但過去近80年中，沒有科學(xué)家能夠證實或證偽這一預(yù)言。

世界各國有幾十個團(tuán)隊都加入到尋找馬約拉納費米子的行列，為此，美國、荷蘭還設(shè)立了專門的基金，著名的計算機(jī)公司微軟也在這方面投入了大量的經(jīng)費。2010年以來，國際上的重要期刊已經(jīng)刊登關(guān)于馬約拉納費米子的SCI文章近1萬篇。

也曾有研究團(tuán)隊聲稱觀察到了馬約拉納費米子的跡象，但都受到很多專家的質(zhì)疑，賈金鋒研究團(tuán)隊能夠觀察到該粒子存在的直接證據(jù)，取得突破性成果，至少攻克了三大難題。

首先是材料學(xué)難題。

尋找馬約拉納費米子首先需要實現(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)，但這是材料學(xué)難題。

在大量實驗基礎(chǔ)上，賈金鋒研究團(tuán)隊獨辟蹊徑，在超導(dǎo)材料上“生長”出了拓?fù)浣^緣體薄膜，并讓該薄膜表面變成拓?fù)涑瑢?dǎo)體。這一巧妙的實驗設(shè)計為日后的重要發(fā)現(xiàn)奠定了材料基礎(chǔ)。

其次，其他研究團(tuán)隊觀測到馬約拉納費米子的依據(jù)，主要是基于其能量為零這一特點。但賈金鋒認(rèn)為，其它因素也可能在能量為零處造成一個峰。他關(guān)注到馬約拉納費米子具有自旋特性的特點，該特性不受環(huán)境中其他因素影響，其研究結(jié)論具有說服力。

但是，馬約拉納費米子的磁性非常弱，要觀察到該粒子的自旋特點，需要靈敏度很高、工作環(huán)境溫度很低的掃描隧道顯微鏡，其溫度要低到40mK，比絕對零度只高0.04K。當(dāng)時，上海交大沒有這一實驗條件，他們堅持不懈的四處聯(lián)絡(luò)，最終在南京大學(xué)找到了這一實驗系統(tǒng)。

賈金鋒研究團(tuán)隊運(yùn)用自旋極化的掃描隧道顯微鏡，在“人造拓?fù)涑瑢?dǎo)薄膜”表面的渦旋中心進(jìn)行測量，成功觀察到了由馬約拉納費米子所引起的特有自旋極化電流，這是馬約拉納費米子存在的確定性證據(jù)。

這一研究成果被認(rèn)為是曠世之作。

剛剛在德國閉幕的世界超算大會（ISC）上評選出的目前世界上最快的超級計算機(jī)——“神威·太湖之光”，擁有每秒12.54億億次的峰值計算速度。而這樣已經(jīng)令人瞠目結(jié)舌的數(shù)據(jù)處理能力，跟量子計算機(jī)比起來，如同是自行車與飛機(jī)的差別。但人類之所以至今仍未制造出量子計算機(jī)的重要原因，就是目前使用的粒子的量子狀態(tài)很不穩(wěn)定，極容易受到電磁干擾和其他物理因素的影響。但馬約拉納費米子不同，由于其反粒子就是本身的特殊性質(zhì)，使其擁有非常理想的穩(wěn)定性，對于實現(xiàn)穩(wěn)定的量子計算具有非同一般的重要意義。馬約拉納費米子的發(fā)現(xiàn)，就如同打開了量子計算世界的大門，人類看到的是一個拓?fù)淞孔佑嬎愕男聲r代，引發(fā)新一輪的電子技術(shù)革命、信息革命。

出品：科普中國

制作：上海交通大學(xué) 賈金鋒 幻彩寶寶科普創(chuàng)新公社 武瑞雪 

監(jiān)制：中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心