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科学家发现“天使粒子”,量子计算机离我们不远了?

北极蚊子 2017-7-24 10:26

  一个重磅科学发现几乎横扫了大多数中文媒体:科学家们发现了“天使粒子”——马约拉纳费米子。

  就在昨天,科学家们表示,他们已经发现了现实中马约拉纳费米子确实存在的证据!该研究由加州大学和斯坦福大学合作完成,两校的研究团队分别由夏晶教授、王康隆教授和张首晟教授带领。其中,张首晟教授的团队负责制定实验方案,而加州大学方面的团队负责实际进行实验——该研究已发表在本月 20 日的《Science》杂志上。

  这一发现确实在物理界举足轻重,而在“天使粒子”的光环之下,如果有一个“隐形”的最大受益者,那可能就是微软。实际上,在量子计算这场科技巨头们最前沿的竞争中,微软选择了一条“少有人走的路”:通过操控马约拉纳费米子作为量子比特来实现量子计算机。

  这也就意味着,微软在昨天的科学研究发布之前——也就是物理学界还没有百分之百地确定这种粒子能被观测到之前——早就已经开始规划和利用这种粒子来实现量子计算机。

  

  图 | 马约拉纳费米子(蓝色、红色、紫色)在叠加了一层超导体的拓扑绝缘体中运动。电子(绿色)则在拓扑绝缘体边缘运动

  其实,微软的量子计算计划早在 2004 年就开始了。时任微软技术与研究战略副总裁的 Craig Mundie 接受了微软科学家、拓扑学大师 Michael Freedman 的建议,由后者全权负责组建量子计算研究团队,也就是成立于 2005 年的 Station Q。

  当时,微软其实并没有开发量子计算机的计划,但 Craig Mundie 敏锐的察觉到,必定将会有一种全新的计算方式来颠覆传统计算机。转机出现在 2012 年,荷兰物理学家在超低温半导体晶体中发现了马约拉纳费米子可能存在的证据——这令远在美国的 Craig Mundie 和 Michael Freedman 感到异常兴奋。

  后来,Craig Mundie 回忆道:“这是个非常关键的时刻,因为这一发现为微软的量子计算机之路指明了方向!”

  

  | 微软科学家、拓扑学大师Michael Freedman

  到了 2016 年 11 月,微软官方网站刊文指出,其已经潜心进行了十多年量子计算机的研发工作,是时候将研究成果付诸于实践,并打造出属于微软的量子计算工程样机了。而且微软宣称,经过十多年的积淀,这可能是一台能击败谷歌和IBM的量子计算原型机。

  毫无疑问,微软在这种难以制备的量子比特上下了很大的赌注。实际上,这种基于马约拉纳费米子的量子比特具有可靠性高的特性,从工程学上看,容易实现扩展和量产。同时,这种量子比特是一种拓普量子比特,而根据拓扑量子计算理论,在足以清除传统量子比特信息的外界扰动中,拓扑量子比特依然可以保持其可靠性。

  然而,相比之下,在选择哪种材料作为量子比特的问题上,谷歌、IBM采用了与微软持完全不同的技术底牌——使用超导导线环作为量子比特。所以,对前者这两家公司来说,这次发现的“天使粒子”甚至更适合被称作“魔鬼粒子”

  

  图 | IBM于5月最新发布的17量子比特芯片

  实际上,马约拉纳费米子其实并不是一个全新的概念,其历史可以追溯到 1928年。当时,物理学家保罗·狄拉克(Paul Dirac)从他的狄拉克方程中提出了这样一种理论:宇宙中的每个基本粒子都有一个相对的反粒子——反粒子具有与对应粒子严格相同的质量、寿命、自旋等“永远为正的”参数,但它们的所带电荷与对应粒子的正好相反,正反粒子相遇时会相互泯灭并放出能量。

  在狄拉克预言的几年后,世界上的第一个反物质“正电子”就在实验中被发现,这使得反粒子、反物质的概念迅速在物理界中升温。

  到了 1937 年,意大利物理学家埃托雷·马约拉纳(Ettore Majorana)基于对狄拉克方程的修正提出了另一观点:这位科学家预言,在被称为费米子的粒子当中(包括质子,中子,电子,中微子和夸克),应该存在一种正反同体的粒子——也就是说,这种特殊的粒子,其反粒子就是它们自己本身。从此之后,这种粒子就被称为“马约拉纳费米子”(Majorana fermions)。

  

  图 | 粒子物理学家埃托雷·马约拉纳

  这位物理学传奇人物的经历也和这些难觅踪影的粒子特颇为相似:1938年,也就是提出马约拉纳费米子的一年后,他带着所有的银行存款,搭乘一艘渡船,从此消失不见。

  那么,马约拉纳费米子又有什么神奇特质?这还得从费米子说起。在物理学中,人们把假想中构成物质的最小、最基本的单位称为“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,也是组成各种各样物体的基础。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。

  

  图 | 美国物理学家恩里科·费米(左)、印度物理学家萨特延德拉·玻色(右)

  其中,费米子泛指所有自旋为半奇数(1/2的奇数倍)的粒子,遵从泡利不相容原理,即一个系统中不能同时有两个具有相同的量子态(如自旋)。在标准模型中,除中微子之外的所有费米子都会在低能态时表现为狄拉克费米子,即具有反粒子的费米子。

  马约拉纳费米子就是一种费米子。因为粒子与其对应的反粒子具有相反的电荷,而马约拉纳费米子的反粒子就是自己本身,所以马约拉纳费米子带零电荷。

  

  科学家们也曾一度接近发现马约拉纳费米子。虽然标准模型中所有基本费米子都带有电荷,因而不满足马约拉纳费米子的特性,但用于解释中微子振荡的右手性中微子却可能具有马约拉纳费米子的特性,科学家们曾在理论上以此解释中微子极小的质量。

  然而,为了验证这一猜想,科学家们需要设计超高精度的无中微子的beta双衰变实验,这个精度曾被预言是今后 10 到 20 年之内的技术都无法达到的。

  在昨天刚刚公布的发现中,科学家同样需要克服很多问题。张首晟教授提出的方案中,马约拉纳费米子这种没有“另一半”(只有粒子没有额外的反粒子,相当于传统粒子“一半”)的性质成为了解决问题的关键:随着外部磁场的变化,反常量子霍尔效应薄膜呈现出量子平台,即基于量子霍尔效应,材料的电阻会在图像上以“e^2/h”的整数倍“跳台阶”地变化,既然马约拉纳费米子相当于“半个”一般的费米子,那它就可能以“e^2/h”的1/2倍“跳台阶”。

  

  图丨由量子反常霍尔效应薄膜和普通超导体薄膜组成的混合器件

  实验方案将普通超导体置于反常量子霍尔效应薄膜之上,临近效应使它呈现出马约拉纳费米子的特性,多出新的量子平台,对应 1/2 倍基本电阻单位e2/ h。果不其然,在加州大学后来的实验中,研究人员发现了这个奇特的“1/2”台阶。

  

  图丨实验结果的图像

  研究团队观察到的马约拉纳费米子被称为“手性”费米子,因为它在一维上只沿着一个方向运动。 参与研究的科研人员表示,实验的建立和实施都异常复杂,但它们产生的信号是清晰无误的。

  关于实验结果,张首晟教授在接受媒体采访时称,尽管寻找马约拉纳费米子的工作比我们之前想象的要复杂得多,目前做的工作也十分有限, 但它在未来可能对构建稳定的量子计算机具有重要意义。

  

  图丨实验中出现的半量子电导平台

  看到这里,你很可能会产生这样一个疑问:既然马约拉纳费米子的寻找过程如此复杂,前文提到的微软为何要将自家的量子计算机押在其上呢?

  其实,很早就有科学家预言,马约拉纳费米子是制造量子计算机的完美选择之一。由于其反粒子就是自己本身,它的状态非常稳定,能避开一般的用于量子计算的粒子状态不稳定的缺点(电磁干扰或物理干扰会打断它们进行中的计算)。

  前景无限,但难以制备,微软在马约拉纳费米子上下了很大的赌注。这个时候,我们不得不提微软量子计算团队的负责人 Todd Holmdahl——这位当年负责 Xbox 和 Xbox360 主机的硬件开发项目的微软资深副总裁,在 2016 年被委以重任,带领一支由数学家、物理学家和工程师组成的团队,致力于打造出击败谷歌和IBM的量子计算原型机。

  

  图 | Todd Holmdahl,微软的量子计算硬件和软件研发项目负责人

  在当时,谷歌、IBM甚至另外的一些初创公司已经打造出了各自的量子计算机硬件,并实现了数据运算,但微软看上去一直进展缓慢。

  但这些都没有影响 Todd 的信心。“我个人的好胜心很强,而且我个人一直负责公司的产品研发。什么样的技术最后能成为产品,我有比较清晰的思路”,这是Todd 当年的豪言壮语。

  2016 年底,在 Todd Holmdahl 接手领导微软量子计算机计划的同时,另外两位杰出的实验物理学家也加入了攻关团队,而这两位科学家的工作正是确定马约拉纳费米子的存在。可以说,科学家们的最新研究很有可能为微软排除了最关键的技术障碍之一。

  “微软这是在豪赌”,德克萨斯大学奥斯丁分校的教授 Scott Aaronson 曾这样评价微软的量子计算机战略。现在看来,微软的机会比之前更大了。

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