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麻省理工团队首次在金中发现马约拉纳粒子,有助于高容错量子计算机研发

北极蚊子 2020-4-14 14:36

麻省理工团队首次在金中发现马约拉纳粒子,有助于高容错量子计算机研发

美国麻省理工学院的物理学家日前成功在一种常见金属——“金”(没错,就是金子的金)的表面,实际观察到了马约拉纳粒子,证明了其存在。这为高 “容错” 型量子计算机研发开启了新的可能。这项研究发表在《美国国家科学院院刊》( PNAS )上。

费米粒子(Fermions)是物理学中的一种基本粒子,一切自旋(Spin)为 1/2 的粒子,比如电子、质子和中子,其实在分类上都是费米粒子。费米粒子的概念最早由英国物理学家保罗 · 狄拉克(Paul Dirac) 提出,认为每个费米粒子在宇宙中都存在着一个与之相对的反粒子。

后来到了 1937 年,意大利物理学家艾托尔 · 马约拉纳(Ettore Majorana)进一步发展了该理论,认为费米粒子中有些粒子,也就是我们这里所说的马约拉纳粒子,与其反粒子在各项性质上其实是无法区分的。这后来在物理学界掀起了一股寻找马约拉纳粒子的热潮,甚至一直持续到了现在。

此前已有理论认为,中微子就是马约拉纳粒子的一种,但没有实证。除此之外,也有理论提出,马约拉纳粒子或能在一些特殊条件下在固体中被观察到。而麻省理工学院的这项研究给出了实证。

图 | 此次研究中,“金”表面的马约拉纳粒子想象概念图。(来源:stock images)

该研究通过设计并培养在超导材料 “钒” 上生长的纳米级金丝,在金丝上层表面检测电导率确认材料的超导区域,然后再观察在这些金丝上所分布的,具有 “磁性”的微型硫化铕(Europium Sulfide,其磁性能提供产生马约拉纳粒子的磁场)“小岛”,并最终成功在能谱中检测到了代表着 “马约拉纳粒子存在” 的接近零的能量特征信号。

麻省理工学院物理系资深研究员 Jagadeesh Moodera 说:“很久以来,我们都在想尽办法想在实验中实际检测到马约拉纳粒子的存在,而现在我们做到了,且证明了它们可被以一种稳定的方式轻松拓展。”

论文共同作者、麻省理工学院的 Patrick Lee 认为, 鉴于他们已经成功发现,并在一定程度了探究了“马约拉纳粒子的可拓展性”,下一步的有关研究方向或是量子计算机中的量子比特开发

在量子计算机的研发过程中,此前就曾有人提出过 “将马约拉纳粒子当做量子比特” 的想法,即一个量子比特由一对马约拉纳粒子构成,计算中可能出现的 “噪声” 只会影响两个马约拉纳粒子中的一个,从而使另一个正常工作,让量子计算机免受 “噪声” 影响,持续计算。

然而,虽然人们以前一直致力于在半导体,或超导材料中寻找因材料超导而导致的粒子分裂所可能会产生的马约拉纳粒子,而且就在此次研究发表前,科学家们还很难将这种超导材料的大小按量子计算所需的比例在材料生长过程中放大,以确实地观察到马约拉纳粒子并对其加以利用。

Patrick Lee 在大概 10 年前带一个研究生做项目的时候,萌生了 “或许我们也可以从常见类金属材料中试试看能不能找到马约拉纳粒子” 的想法,其背后的逻辑在于,金属在与超导体相邻时会变得超导,而在实验中,科学家们也经常会将包括金在内的各种金属制成超导材料,而如果我们能将金制为超导材料,并检测其表面(材料顶层)的原子状态,金就有可能能被作为一个 “干净” 的、用以检测马约拉纳粒子是否存在的精确原子系统。而根据 Jagadeesh Moodera 此前在铁磁绝缘子上研究,如果这种绝缘子被放在超导金的表面,研究人员就很有可能能在其中发现马约拉纳粒子存在的证据,而这也最终让发现了这一点的 Patrick Lee 和 Jagadeesh Moodera 走到了一起。

Jagadeesh Moodera 说:“除了确实发现马约拉纳粒子的存在,另一个值得注意的点是,我们在 此次研究中的材料制备方法较传统的‘基于半导体生成量子位’的方法更为稳定,材料本身只是一个将金放置在铁磁体与超导体间的‘三明治’结构,而这也使其在造价上具有相对来说更可能被商业化的优势。”

论文共同作者,前麻省理工学院博士后,现在美国加州大学河滨分校(University of California, Riverside)工作的 Peng Wei 认为,研究的下一个方向或将主要针对如何掌控和利用马约拉纳粒子。Peng Wei 说:“能实际在常见金属这样的通用性更高的平台中观察到马约拉纳粒子十分重要,这为我们以后对其加以利用打下了基础,而现在我们既然已经成功做到了这一点,研究的下一个目标就要考虑该如何用马约拉纳粒子构建量子比特了,而我们目前对此也已经有了一些构想。”

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