探索神秘的“天使粒子”

张首晟

探索神秘的“天使粒子”

张首晟

“天使粒子”被发现后，各大媒体争相报道，甚至有误传说它就是“准粒子”。事实上，就连科研团队本身，都未曾声称找到 “马约拉纳费米子”，而是将之称为“马约拉纳费米子模”，一字之差，大有文章。以下援引张首晟教授发表在2017年07月27日《 人民日报 》22版上的署名文章，以正视听。

我们所探求的方程式就是大自然的诗歌。这是一首很美的诗。当我们遇到这些浓缩精粹的结构时，我们就会有美的感受……当实验数据、自然现象等等客观因素与科学家的主观情感在一个更高层次上达到和谐统一的时候，科学就和艺术一样获得了美感。

——引自于《科学中国人》杂志对张首晟教授的采访，详见2012年第24期。

我们似乎生活在一个充满正反对立的世界：有正数必有负数，有存款必有负债，有阴必有阳，有天使也有恶魔。宇宙的最小物质组成部分——基本粒子也是一样。1928年，英国理论物理学家狄拉克曾做出惊人的预言：宇宙中每一个基本粒子必然有其相对应的反粒子。

几年后，科学家在宇宙射线中发现与电子相反的正电子，验证了这一预言。根据爱因斯坦E=mc的质能公式，当一个粒子遇上它的反粒子时，它们会相互湮灭从而释放出巨大能量。丹·布朗的小说及其电影《天使与魔鬼》，就描述过这样的正反粒子湮灭爆炸的场景。

自此，宇宙中有粒子必有其反粒子，被认为是永恒不变的真理。但是，宇宙中会不会还存在着这样一类粒子：它们没有反粒子，或者说其自身就是自己的反粒子？1937年，意大利理论物理学家埃托雷·马约拉纳猜测，这种神奇的粒子可能存在，这也就是我们今天所称的马约拉纳费米子。此后，诸多物理学家将寻找这种粒子奉为物理学研究的一项崇高目标。物理学中有一份表单，囊括了人类梦寐以求的神秘粒子，其中就包括马约拉纳费米子。

2010至2015年间，笔者与团队曾预测了找到马约拉纳费米子的途径，并指出哪些实验信号能够作为证据。根据理论预测，笔者的团队与来自加利福尼亚大学的其他3个实验团队合作，最终发现了手性（一维空间单向运动）马约拉纳费米子。类比丹·布朗所描述的正反粒子湮灭爆炸的小说《天使与魔鬼》，笔者提出将新发现的手性马约拉纳费米子称为“天使粒子”。这一发现已发表在近期的《科学》杂志上。

“天使粒子”的发现，有望为构造稳固的拓扑量子计算机提供更多可能性。量子世界本质上是并行的，因此量子计算机能够进行高度并行的量子计算，远比经典计算机有效。例如，在一个高难度的计算问题上，传统计算机只能运用穷举法，逐一列出可能项并加以计算，而量子计算机则可以同时完成所有可能项的计算。然而，一个量子比特（量子信息的基本单位）的信息非常难以存储，微弱的环境噪声都能够毁灭其量子特性。

由于“天使粒子”没有反粒子，或者说它相当于半个传统粒子，这便提供了一种绝妙的可能：我们可以将一个量子比特一分为二、存储在两个距离十分遥远的“天使粒子”上。传统的噪声只有在同一时间、又以同样的方式影响这两个“天使粒子”，才能毁灭所存储的量子信息，而这是极其难以实现的。因此，通过这样的方式存储在远距离“天使粒子”上的量子比特，本质上极其稳固。有了这一发现，未来真正有效的量子计算将有望成为现实。

当然，从基本科学发现到技术应用往往需要多年时间，但是笔者对于“天使粒子”所在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面临的一些最艰难的问题，继而创造一个更加美好的世界。