近日，中國科學院物理研究所高鴻鈞院士帶領(lǐng)的聯(lián)合團隊，首次實現(xiàn)大面積、高度有序和可調(diào)控的馬約拉納零能模格點陣列，向拓撲量子計算邁進重要一步。相關(guān)成果6月8日發(fā)表在《自然》(Nature)。

圖片來自《自然》(Nature)

論文共同第一作者為中科院物理所博士研究生李萌、副研究員李更和博士曹路，共同通訊作者為中科院物理所高鴻鈞院士和美國波士頓學院教授Ziqiang Wang。中科院物理所靳常青和望賢成提供了實驗所需的LiFeAs（鋰鐵砷）單晶。

從馬約拉納費米子到馬約拉納零能模

“在物理學家眼中，我們的宇宙是由60多種基本粒子構(gòu)成的。這些基本粒子按照統(tǒng)計規(guī)律的不同可以劃分為玻色子和費米子兩大類，例如人們所熟知的光子屬于玻色子，電子屬于費米子，它們都是基本粒子?！敝锌圃何锢硭毖芯繂T、論文共同第一作者李更向澎湃新聞(www.xinlihui.cn)記者表示，對于費米子而言，大多數(shù)費米子的反粒子與它本身不同，例如電子的反粒子是正電子，帶有一個單位的正電荷?！斑@類費米子被稱為‘狄拉克費米子’，以著名物理學家保羅?狄拉克命名?！?/p>

但還有另一種神奇的基本粒子，它的反粒子就是其本身。這種基本粒子叫做“馬約拉納費米子”，由意大利物理學家埃托雷?馬約拉納在1937年理論預(yù)言。然而，在其預(yù)言后的80多年時間里，粒子物理學家始終未能在廣袤宇宙中找到該粒子存在的確切證據(jù)。

而在物理學的另一大分支——凝聚態(tài)物理領(lǐng)域，理論學家預(yù)言在固體材料中，可能會出現(xiàn)與馬約拉納費米子類似的基本粒子，即“馬約拉納準粒子”。被束縛在空間特定地方的馬約拉納準粒子具有零能的特征，因此被稱為“馬約拉納零能?！薄?/p>

“馬約拉納零能模的統(tǒng)計規(guī)律既不像玻色子，也不像費米子，而是表現(xiàn)為一種獨特的非阿貝爾統(tǒng)計規(guī)律。這種準粒子的編織操作被認為是實現(xiàn)容錯拓撲量子計算的重要途徑?！崩罡f道。

鐵基超導體中的馬約拉納零能模

在晶體材料體系中尋找并調(diào)控馬約拉納零能模，是實現(xiàn)拓撲量子計算的關(guān)鍵步驟，也是凝聚態(tài)物理前沿研究方向之一。

近年來，在拓撲非平庸的鐵基超導體中尋找馬約拉納零能模已經(jīng)取得長足進展。與其他體系（如超導-半導體納米線、磁性原子鏈、拓撲絕緣體/超導異質(zhì)結(jié)等）相比，鐵基超導體具有單一組分、高溫超導、本征拓撲等性質(zhì)，避免了復雜的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計、極低溫的觀測條件等問題，是研究馬約拉納零能模的理想載體。

“我們實驗的核心是圍繞鐵基超導體中的馬約拉納零能模，而馬約拉納零能模的存在起源于鐵基超導體的特殊的拓撲能帶結(jié)構(gòu)。相關(guān)的理論最早由物理所的方忠研究員課題組和胡江平研究員課題組提出并不斷發(fā)展?！崩罡蚺炫刃侣?www.xinlihui.cn)記者說道，“在他們理論工作的指引下，我們在2018年證實了第一種鐵基超導馬約拉納材料平臺--鐵碲硒。在鐵碲硒中，我們首次觀測到了磁通渦旋中心的馬約拉納零能模。經(jīng)過五年多的探索，我們找到了能實現(xiàn)馬約拉納零能模陣列的鐵基超導體鋰鐵砷(LiFeAs)。”

李更表示，值得一提的是，無論是鐵基超導體超導電性的研究，還是鐵基超導體拓撲能帶結(jié)構(gòu)的研究，中國科學家均是走在世界最前沿。鐵基超導體中的馬約拉納零能模，這是一條從理論到實驗均由中國科學家開辟的研究領(lǐng)域。

大面積有序可調(diào)的馬約拉納零能模陣列

自從鐵基超導體拓撲能帶的發(fā)現(xiàn)以來，科學家在多種鐵基超導體中（如CaKFe4As4、雜質(zhì)輔助的LiFeAs）均發(fā)現(xiàn)了馬約拉納零能模。然而這些材料體系存在著由于自摻雜帶來的體態(tài)不均一、渦旋陣列無序且不可控，以及拓撲渦旋占比低等問題，阻礙了其進一步研究和應(yīng)用。

如何突破當前研究瓶頸，獲得大面積、高度有序且可調(diào)控的馬約拉納零能模陣列，向拓撲量子計算更進一步，是當前鐵基超導馬約拉納領(lǐng)域亟待解決的問題之一。

圖一：LiFeAs雙軸電荷密度波區(qū)域的表征，圖片來自中科院物理所

此次，高鴻鈞和李更等研究人員對鐵基超導體LiFeAs進行了深入研究。通過實驗，他們發(fā)現(xiàn)應(yīng)力可以誘導出大面積、高度有序和可調(diào)控的馬約拉納零能模格點陣列。應(yīng)力是指物體由于外因（受力、濕度、溫度場變化等）而變形時，物體內(nèi)各部分之間產(chǎn)生相互作用的內(nèi)力，可以抵抗前述外因作用，并試圖使物體從變形后位置恢復到變形前位置。

圖二：磁通渦旋中的馬約拉納零能模，圖片來自中科院物理所

前述研究的主要發(fā)現(xiàn)可概括為以下四個方面：一、晶體中的自然應(yīng)力可誘導產(chǎn)生雙軸電荷密度波條紋，沿著鐵-鐵和砷-砷晶格方向，其波長分別為2.7納米和24.3納米（如圖一所示）；二、波長為24.3納米的電荷密度波對超導能隙具有明顯的調(diào)制作用,當施加垂直于樣品表面的磁場后，形成的磁通渦旋全部被釘扎在超導序較弱的砷-砷方向電荷密度波條紋上，形成有序的渦旋陣列（如圖二所示）；

圖三：馬約拉納零能模產(chǎn)生機理，圖片來自中科院物理所

三、雙軸電荷密度波的存在使得晶體對稱性降低，從而改變了費米能級附近的拓撲能帶結(jié)構(gòu)，使得超過90%的磁通渦旋中心具有馬約拉納零能模，形成高度有序的馬約拉納零能模陣列（如圖三、四所示）；四、這種有序的馬約拉納零能模陣列可被外磁場調(diào)控，隨著磁場增加，渦旋間距減小，馬約拉納零能模間的相互作用開始凸顯（如圖四所示）。

圖四：用磁場調(diào)控大面積有序的馬約拉納零能模格點陣列，圖片來自中科院物理所

基于馬約拉納零能模的拓撲量子計算

量子計算機遵循量子力學規(guī)律，在處理特定復雜問題時，相比傳統(tǒng)計算機有著巨大的優(yōu)越性。因此，歐美等多國政府和科技企業(yè)紛紛投入財力發(fā)展量子計算。

2020年12月，中國科學技術(shù)大學潘建偉院士團隊成功構(gòu)建76個光子的量子計算原型機“九章”，實現(xiàn)了我國的“量子優(yōu)越性”，即對于特定任務(wù)，量子計算機可以解決，而現(xiàn)存的任何經(jīng)典計算機運用任何已知算法，都不能在一個可接受的時間內(nèi)完成。

隨著量子計算的發(fā)展，如何開發(fā)出實用量子計算機成為該領(lǐng)域的重要研究問題之一。但量子計算的主要挑戰(zhàn)在于量子系統(tǒng)無法和環(huán)境完全分隔，因此量子態(tài)很容易受環(huán)境的干擾，產(chǎn)生退相干現(xiàn)象，使得計算過程中會不斷地產(chǎn)生和積累錯誤?！坝神R約拉納零能模組成的非局域拓撲量子比特，可以從原理上解決量子計算無法避免的量子退相干問題，這是拓撲量子計算這種途徑的優(yōu)勢所在?！崩罡蚺炫刃侣?www.xinlihui.cn)記者說道。

此次中科院物理所團隊的研究結(jié)果表明，大面積有序可調(diào)的馬約拉納零能模陣列可以在LiFeAs中穩(wěn)定存在，為實現(xiàn)拓撲量子計算提供了重要的高質(zhì)量研究平臺。

圖片來自中科院物理所

“我們的成果為實現(xiàn)馬約拉納零能模的操縱提供了很好的平臺，但是離真正實現(xiàn)拓撲量子計算，還是有很長的路要走?！?李更表示，未來中科院物理所團隊會在已有高質(zhì)量平臺的基礎(chǔ)之上，嘗試對馬約拉納零能模進行編織操作，進一步實現(xiàn)拓撲量子比特，以此構(gòu)造拓撲量子計算機?！斑@期間還有很多從‘0’到‘1’的基礎(chǔ)研究與技術(shù)難關(guān)需要突破?！?/p>