容錯(cuò)量子計(jì)算新突破！困擾物理學(xué)界 80 余年的馬約拉納費(fèi)米子首次在金屬中捕獲到

世界上是否存在一種粒子，它的反粒子就是自己本身？

這個(gè)問(wèn)題在提出 80 余年后，終于得到了肯定的回答。

2016 年，中美科學(xué)家首次聯(lián)合捕獲到了這種粒子——「馬約拉納費(fèi)米子」（Majorana fermion）。

近日，麻省理工學(xué)院物理系、印度理工學(xué)院物理系、加州大學(xué)河濱分校物理學(xué)與天文學(xué)系、香港科技大學(xué)物理學(xué)系的一組研究人員更是在我們都不陌生的金屬「金」中觀察到了馬約拉納費(fèi)米子，相關(guān)論文于 2020 年 4 月 6 日發(fā)表于（PNAS）。

鑒于其獨(dú)特的屬性，馬約拉納費(fèi)米子是制造量子計(jì)算機(jī)的完美選擇之一。因此，這一發(fā)現(xiàn)無(wú)疑推動(dòng)了容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)，向人類(lèi)量子計(jì)算之夢(mèng)的實(shí)現(xiàn)又邁進(jìn)了一步。

物理學(xué)中，能夠以自由狀態(tài)存在的最小物質(zhì)組成部分便是粒子。粒子又主要分為兩派——費(fèi)米子（fermion，如電子、質(zhì)子）和玻色子（Boson，如光子、介子）。

其中，費(fèi)米子即一切自旋（Spin）為 1/2 的粒子，這一概念最早由曾于 1933 年與薛定諤共同獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的量子力學(xué)奠基人之一 Paul Dirac 提出。Paul Dirac 認(rèn)為，每個(gè)費(fèi)米子在宇宙中都存在著一個(gè)與之相對(duì)的反粒子，二者就像脾氣完全相反的一對(duì)雙胞胎一樣，二者產(chǎn)生的能量甚至可能讓它們瞬間湮滅。

不過(guò)，1937 年，意大利物理學(xué)家 Ettore Majorana 預(yù)言，存在一種特殊的費(fèi)米子，它們的反粒子和自己的長(zhǎng)相、脾氣都完全一樣，也就是說(shuō)，它們的反粒子就是自己本身，在量子計(jì)算中可被用來(lái)形成穩(wěn)定的比特。

后來(lái)，這種特殊的費(fèi)米子被命名為“馬約拉納費(fèi)米子”（Majorana fermion，因 Ettore Majorana 得名），為便于區(qū)分，傳統(tǒng)認(rèn)知里的費(fèi)米子通常被稱(chēng)為“狄拉克費(fèi)米子”（Dirac fermion，因 Paul Dirac 得名）。

然而，此后的 80 多年里，馬約拉納費(fèi)米子始終只是一個(gè)概念而已，令物理學(xué)家感到頭痛。

具體來(lái)講，想要證實(shí)馬約拉納費(fèi)米子存在的猜想，需要觀察到 1937 年 Ettore Majorana 提出的一種名為「雙 β 衰變」（double-β decay）的現(xiàn)象。

經(jīng)過(guò)幾十余年的努力，1987 年，加州大學(xué)爾灣校區(qū) Michael Moe 團(tuán)隊(duì)最早在實(shí)驗(yàn)室成功觀測(cè)到硒-82 的雙 β 衰變。

此后，不少實(shí)驗(yàn)都成功觀測(cè)到其他同位素的尋常雙 β 衰變，但無(wú)一能為證實(shí)上述猜想提供正面的結(jié)果。

終于，2016 年 6 月 22 日，上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)、南京大學(xué)與美國(guó)麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)合作，率先觀測(cè)到了在拓?fù)涑瑢?dǎo)體渦旋中存在馬約拉納費(fèi)米子的重要證據(jù)。

這一成果意味著人類(lèi)在量子物理學(xué)領(lǐng)域取得了重大突破，同時(shí)也表明，在固體中實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑?jì)算成為可能。

「量子優(yōu)勢(shì)」的說(shuō)法我們可能已經(jīng)不陌生了，它是指量子計(jì)算機(jī)在處理任務(wù)時(shí)能夠完虐最強(qiáng)的經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)。

但事實(shí)上，正如中國(guó)科學(xué)院院士、量子計(jì)算泰斗姚期智教授在第五屆騰訊 WE 大會(huì)上演講時(shí)所說(shuō)：

目前我們已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)能看到量子計(jì)算機(jī)將要做出來(lái)的時(shí)間段——即最后一里路。不過(guò)，這「最后一里路」，不僅非常艱難，而且耗時(shí)也會(huì)很長(zhǎng)。

雷鋒網(wǎng)了解到，量子計(jì)算難以實(shí)現(xiàn)的原因之一就在于“噪聲”。從量子比特中的熱量或從更深層的量子物理過(guò)程中產(chǎn)生的隨機(jī)波動(dòng)，將可能導(dǎo)致計(jì)算失敗。

面對(duì)這種噪聲，研究人員并非沒(méi)有給出解決方案，目前主要有兩種方式：

多數(shù)決定法：數(shù)一數(shù)哪一種比特（0 或 1）比較多，多的那一種應(yīng)該是正確的；

宇稱(chēng)查驗(yàn)：查驗(yàn)相鄰比特的取值是否相同，不同則意味著其中一個(gè)出錯(cuò)了。

在這里，便出現(xiàn)了一個(gè)「容錯(cuò)閾值」的概念，即量子糾錯(cuò)能達(dá)到預(yù)期效果的前提——宇稱(chēng)查驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的錯(cuò)誤不會(huì)使得錯(cuò)誤數(shù)量增加。

不過(guò)，糾錯(cuò)會(huì)大幅增加計(jì)算成本，原因在于計(jì)算能力都被用來(lái)糾錯(cuò)，而不是運(yùn)行算法。

因此，研究人員可以說(shuō)是另辟蹊徑，提出了新方案，主動(dòng)“適應(yīng)噪聲”，即容錯(cuò)量子計(jì)算。而實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子計(jì)算需要錯(cuò)誤率明顯低于閾值（0.1% 左右）以及百萬(wàn)以上的量子比特。就目前而言，這還是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

而在上述論文中，研究團(tuán)隊(duì)提到，他們?cè)诮鹬邪l(fā)現(xiàn)的馬約拉納費(fèi)米子，適用于標(biāo)準(zhǔn)的納米制造技術(shù)，可以用于容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)的量子位構(gòu)建塊，因此有望推動(dòng)容錯(cuò)量子計(jì)算的發(fā)展。

具體來(lái)講，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)、制造了一種材料系統(tǒng)，該系統(tǒng)由生長(zhǎng)在超導(dǎo)材料釩上的約為 4 納米厚的金納米線組成，并分布有細(xì)小的硫化銪鐵磁體。研究團(tuán)隊(duì)在掃描到硫化銪附近的表面時(shí)，發(fā)現(xiàn)了金表面上信號(hào)尖峰能量為零。

根據(jù)理論，這些現(xiàn)象只能由馬約拉納費(fèi)米子對(duì)產(chǎn)生。

其實(shí)這一發(fā)現(xiàn)也并不是偶然，論文合著者之一 Patrick Lee 大概 10 年前就已經(jīng)萌生出了或許能在常見(jiàn)金屬材料中發(fā)現(xiàn)馬約拉納費(fèi)米子的想法。

而這一想法背后的原因在于，雖然科學(xué)家們長(zhǎng)期以來(lái)一直在半導(dǎo)體中尋找馬約拉納費(fèi)米子，將半導(dǎo)體與超導(dǎo)體結(jié)合在一起，為半導(dǎo)體賦予超導(dǎo)性能，半導(dǎo)體中的粒子分裂后即能形成馬約拉那費(fèi)米子對(duì)。但實(shí)際上，金屬與超導(dǎo)體相鄰時(shí)也會(huì)具有超導(dǎo)性能。

對(duì)此，另一位論文合著者 Jagadeesh Moodera 表示：

值得注意的是，我們的材料制備方法比傳統(tǒng)的‘基于半導(dǎo)體生成量子位’的方法更為穩(wěn)定，我們的材料系統(tǒng)是一個(gè)將金放置在鐵磁體與超導(dǎo)體間的‘三明治’結(jié)構(gòu)。從另一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，這也使其在造價(jià)上具有更大的商業(yè)化優(yōu)勢(shì)。

參考

https://news.mit.edu/2020/first-majorana-fermion-metal-quantum-computing-0410

https://www.pnas.org/content/early/2020/04/03/1919753117/tab-article-info

https://www.guancha.cn/Science/2016_06_22_365052_s.shtml