正反同体的“天使粒子”

罗琼

从基本科学发现到技术应用往往需要多年时间，但天使粒子的发现意味着量子计算已成为可能。

继2016年美国科学家宣布第一次直接探测到引力波的存在，找到了爱因斯坦广义相对论的最后一块拼图后，物理学又迎来重大突破：由4位华人科学家领衔的科研团队终于找到了正反同体的“天使粒子”——马约拉纳（Majorana）费米子，为持续了整整80年的科学探索画上了圆满的句号。从2010年到2015年，斯坦福大学的张首晟团队连续发表三篇论文，精准预言了实现马约拉纳费米子的体系及用以验证的实验方案。加州大学洛杉矶分校的王康隆等实验团队依照张首晟的理论预测，成功发现了手性马约拉纳费米子。这颗粒子的发现将引发新一轮电子计算革命。

基本粒子是什么

在物理学领域，构成物质最小、最基本的单位被称为“基本粒子”。它们是在不改变物质属性前提下的最小体积物质。基本粒子又分为两种：费米子和玻色子，分别以美国物理学家费米和印度物理学家玻色的名字命名。

根据粒子物理的定义，物质由费米子和玻色子两种基本粒子组成，费米子是构成物质的原材料（如轻子中的电子、组成质子和中子的夸克、中微子）；玻色子是传递作用力的粒子（光子、介子、胶子等）。基本粒子要比原子、分子小得多，现有最高倍的电子显微镜也不能观察到。例如，质子、中子的大小，只有原子的十万分之一。而轻子和夸克的尺寸更小，还不到质子、中子的万分之一。

马约拉纳费米子

位列神秘粒子名单的马约拉纳费米子是费米子的一种，其独特之处在于，它是一个没有反粒子，或者说反粒子就是其自身的粒子。

东西方哲学家都认为，人类生活在一个充满正反对立的世界：有正数必有负数，有阴必有阳，有善必有恶，有天使必有恶魔。 1928年，伟大的理论物理学家狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac）做出惊人的预言：宇宙中每一个基本费米粒子必然有相对应的反粒子。根据爱因斯坦E = mc2的质能公式，当一个费米子遇上它的反粒子，它们会相互湮灭，从而使两个粒子的质量消失并转化为能量。

从此以后，宇宙中有粒子必有其反粒子被认为是绝对真理。然而，会不会存在一类没有反粒子的粒子，或者说正反同体的粒子呢？1937年，意大利理论物理学家埃托雷·马约拉纳（Ettore Majorana）在他的论文中猜测有这样神奇的粒子存在，即粒子本身又是其反粒子。该粒子因此被命名为马约拉纳费米子。然而，多年以来，这种粒子一直没有被真正发现，所以研究慢慢冷却。直到20 多年前， 因为量子计算机的研究，才使得这一研究领域再次受到关注。

主导该研究的王康隆教授认为，马约拉纳费米子正反同体，就像道家的阴阳八卦图一样，因此叫“太极粒子”可能更贴切。同为论文作者之一的张首晟教授认为，“天使粒子”是一个完美的世界，只有天使，没有魔鬼，因此他提出这一新发现的手性马约拉纳费米子应称为“天使粒子”。对此，作为第一作者的何庆林教授表示， 因为从物理层面来说，马约拉纳费米子阴阳同体且呈现电中性，而且此次成果主要是华人科学家的突破，所以他更倾向于“太极粒子”这一富有中国哲学意味的命名。

天使粒子的意义

马约拉纳费米子被发现，将从哲学层面挑战人类对现有世界的认知，即世界不完全是正反对立的，有阴不一定有阳，有天使不一定有魔鬼。除此之外，这一发现还具有更加现实的意义——在固体中实现拓扑量子计算将成为可能。

20世纪初，物理学界掀起量子革命，在颠覆经典物理学、为人们认识世界和宇宙打开新大门的同时，量子世界的波粒二象性、波函数坍缩等基本数学特性，也为科学家们带来新的未解谜团。

为了解释这些现象，科学家们提出了哥本哈根解释、多宇宙论、隐变量理论以及退相干历史等，但至今仍未真正揭开量子论的神秘面纱。尽管如此，量子论的兴起依然彻底改变了世界的面貌，核能、计算机技术、新材料、能源技术、信息技术等的发展，都与量子论密切相关。

量子论的神秘吸引着大批科学家投身其中，在量子论的影响下，物理学者们已经达成共识，认为物质是由基本粒子组成的，而对粒子与力的探寻，将能真正揭开宇宙的奥秘。为此，科学家们提出了许多理论假设，在物理学中有一份表单，囊括了那些人类梦寐以求的神秘粒子。发现马约拉纳费米子是继发现上帝粒子（希格斯波色子）、中微子、引力子之后的又一里程碑式发现，不仅具有重大的理论意义，而且具有重要的潜在应用价值：让量子计算成为现实。

助力量子计算

如果将量子计算机比喻成一架飞机，那么我们现在普通的计算机充其量也就是辆自行车。马约拉纳费米子是新一代拓扑量子计算的基石，而量子计算可以颠覆传统电子计算机，因为它的计算速度和计算能力都比现在电子计算机强大得多。因此，不仅科技巨头，甚至国家之间都展开了对量子计算机的研究竞赛。目前，马约拉纳费米子是制造量子计算機的完美候选对象。

著名的光学双缝实验证明，量子世界呈现波粒二象性，粒子可以同时穿过两道缝隙——这显然与常识相违背，一个人不可能同时出现在上海和北京，但在量子世界，这是真实存在的现象。尽管科学家们尚无法解答这一疑问，但量子世界的特点却为计算机的发展提供了全新思路。由于量子世界本质上是并行的，一个量子粒子能够同时穿过两个狭缝，所以量子计算机能够进行高度并行的量子计算，这远比经典计算机有效。以算术问题为例，如果给出一个很大的数字，问这个数字能否被拆成两个数字的乘积，那么经典计算机只能用穷举法逐一尝试整除计算，而量子计算机可以在一瞬间同时完成所有可能项的测算。

然而，量子计算的实现面临一个非常大的挑战：一个量子比特（qbit）的信息非常难以存储，微弱的环境噪声就能够毁灭其量子特性。量子比特难以储存的原因来自量子纠缠的特性，量子纠缠被爱因斯坦称之为“鬼魅般的超距作用”，以电子的“自旋”为例，两个相互纠缠的电子对，当其中一个顺时针转时，另一个就逆时针转，量子纠缠可以预测相隔甚远的电子对的状态，即便它们一个在地球，一个在月球，之间没有传输线相连。如果你在某个时刻观测到其中一个电子在顺时针旋转，那么另一个在同一时刻必定是在逆时针旋转。换句话说，如果你对其中一个粒子进行观测，那么你不只是影响了它，你的观测也同时影响了它所纠缠的伙伴，而且这与两个粒子间的距离无关。

马约拉纳费米子没有反粒子，或者说相当于半个传统粒子，这就提供了一种绝妙的可能性：一个量子比特能够被拆成两半，存储在两个距离十分遥远的马约拉纳费米子上。如此一来，传统的噪声极其难以同时以同样的方式影响这两个马约拉纳费米子，进而毁灭所存储的量子信息，使通常非常脆弱的量子比特储存方式变为稳固。

以马约拉纳费米子所构建的量子比特来进行信息的计算和存储，其信息量可以存储在两个分离的、独立的马约拉纳费米子中。要破坏它们所存储的信息必须同时对这两个粒子进行同样的干扰。这样的一个特性可以使拓扑量子计算和存储过程减少外界的干扰，存储更加稳定，计算也具有容错的特性。张首晟团队所提出的器件同时还是二维体系，从而使得有效的量子计算成为可能。

从基本科学发现到技术应用往往需要多年时间，但是科学家团队对于“天使粒子”巡游的量子天堂充满了兴奋与期待。拓扑量子计算能够解决当下人类遇到的最艰难的一些问题，从而迎来一个完美的世界。endprint