中國科學家重大發現：馬約拉納任意子首次現身鐵基超導體
1937 年，義大利物理學家馬約拉納（Ettore Majorana）曾預測一種神奇的粒子，它的反粒子就是它本身。然而，80 年過去了，鍥而不捨的物理學家都在尋找這種「天使粒子」的路上鎩羽而歸。
但最近，8 月 17 日國際頂級期刊《科學》（Science）上刊登了中國科學院物理所丁洪-高鴻鈞團隊發表的文章。文章中，團隊向世人展現了一個神奇的發現：首次在鐵基超導材料中發現的馬約拉納束縛態（或稱為零能模）。
這一觀測結果是繼發現「上帝」粒子（希格斯波色子）、中微子、引力子之後的又一里程碑發現，以上物質和磁單極、暗物質等一起被視為人類最為夢寐以求的神秘粒子。同時，由於該粒子在量子計算機中具有重要的潛在應用，也是人類攻克量子計算機難題中的重要一步。
圖 | Science 在 8 月 16 日刊登的論文（來源：Science 官網截圖）
該研究通過兩台獨立的 He-3 極低溫強磁場掃描隧道顯微鏡對 FeTe0.55Se0.45 單晶進行了觀察，並驗證了材料處於馬約拉納束縛態時在不同隧道結、磁場以及溫度下的行為。其觀測結果與理論預測相吻合，這是對馬約拉納束縛態的首次清晰觀測。同時，實驗結果也為實現液氦溫度的馬約拉納束縛態調控提供可能。
為實現這一研究，不僅依賴於強大的 He-3 極低溫強磁場掃描隧道顯微鏡，同時也是丁洪研究組多年積累和該領域世界先進的研究組之間的深度合作。早在 2014 年丁洪研究團隊就曾發現狄拉克錐表面態的初步跡象。之後，丁洪研究組與日本東京大學合作，利用超高解析度角分辨光電子能譜進一步擴展了對拓撲能帶性質的觀測。此外，美國斯坦福大學張首晟研究團隊也進一步通過理論計算預測了出現馬約拉納束縛態可能合適的條件。這些研究為本次馬約拉納束縛態的發現和證實提供了理論和實驗基礎。
僅僅是基本粒子的發現，其實也不會引起如此大的轟動，但是馬約拉納費米子卻是拓撲量子計算技術的關鍵，它能構成最基本的拓撲量子比特。一般而言，馬約拉納費米子存在於拓撲超導體中，擁有獨特的特性——其量子自由度可以等於非整數，例如1/2。換句話說就是兩個馬約拉納費米子才能構成一個量子比特，如此一來環境的隨機影響就難以同時對馬約拉納費米子對造成影響，量子比特的高保真度和穩定性就得到了保證。因此，由它們構成的拓撲量子計算機也將擁有更大的能力。
（來源：Pixabay）
其實，量子計算機的計算能力已經很強了。單就計算能力來說，一台 64 位量子計算機的速度將是目前世界上最快的『天河二號』超級計算機的 545 萬億倍。換句話說，如果按照這樣的運算速度求解一個數億變數的方程組，「天河二號」需要 100 年，而萬億次的量子計算機理論上只需要 0.01 秒。
這樣超強的能力源自於量子計算機獨特的存儲和運算的規則。傳統計算機中，基本的存儲和計算單元是電子比特，一個位數只能存儲兩個態中的一個，即「0」或者「1」。但是量子計算機的存儲和運算是基於量子比特的，這是一種可以存儲疊加態的運算存儲單元。存儲在其中的信息就像那隻「半死不活」的貓一樣，在你打開盒子之前，你也不知道這隻貓是死是活，它的狀態就是「死」和「活」的疊加，但是一旦打開之後，其狀態也就確定。可以這麼說，你打開盒子的方式也確定了你將取得的信息。量子比特進行存儲的時候也是如此，存儲的是多個狀態的疊加。
（來源：Pixabay）
舉個例子，考慮一個 N 個物理比特的存儲器，若它是經典存儲器，則它只能存儲 2N 個可能數據當中的任意一個；若它是量子存儲器，則它可以同時存儲 2N 個數，而且隨著 N 的增加，其存儲信息的能力將呈指數上升。這也是當今量子計算巨頭都在爭相追趕高位數量子計算機的原因。更有學者預計，在 50 個量子比特左右，量子計算機就能達到「量子霸權」（quantum supremacy），即超越傳統計算機。而這也是如今世界各大計算機巨頭公司競相追逐的，IBM、谷歌、英特爾等公司都紛紛推出自己多量子比特的量子計算機。
一般而言，量子計算機的核心就是其基本存儲和計算單位——量子比特。與電子比特不同，量子比特不能由簡單的晶體管構成，畢竟存儲的信息很多。而現今量子比特的載體有很多，例如離子阱、超導電路、金剛石色心、半導體量子點等等。而它們都很有局限性，要麼是特別難製備，要麼是使用條件十分苛刻，並且它們只能組成簡單的量子比特，存在出現運算錯誤的可能，這也是量子計算難以被實現的主要原因之一。
其實，量子計算和大自然中其它所有的過程一樣，是一種隨機過程，而隨機過程中就存在「雜音」。具體來說，在量子比特工作的超低溫環境下，稍有熱量的波動或是從更為深層的量子物理過程中產生的隨機波動，可能引起量子比特的狀態翻轉或隨機化，導致計算失敗。而如果你一直不進行糾錯或者停止運算，這個錯誤的結果將會一直存在於量子比特中並一直疊加下去。
一般而言，量子計算機的一個量子比特需要多個糾錯量子比特來輔助其計算。但是這樣一來，所有的計算能力都有可能被用來糾錯。這種殺敵一千，先要自損八百的做法顯然是不可行的。馬里蘭大學（University of Maryland）量子信息和計算機科學聯合中心的聯合負責人 Andrew Childs 說：「當前的錯誤率明顯限制了可以執行的計算的長度。如果想要進行高級的運算，就不得不首先處理好這個問題。」
圖 | 埃托雷·馬約拉納（來源：Wikipedia）
此時，馬約拉納零能模和拓撲超導的出現可以說是開了另外一扇門，這種存在於拓撲超導體中奇異的准粒子激發可以組成拓撲量子比特——「傳說」中不出錯的量子比特。為何不出錯呢？什麼是拓撲超導體呢？什麼是馬約拉納零能模？拓撲量子比特為何能解決「雜音」問題呢？這就要從「拓撲」這個詞說起。
在數學中，拓撲主要研究幾何對象在平滑變換下的不變性，比如進行拉伸、收縮等連續形變，但不對錶面進行剪切或粘合，如此變換前後的幾何對象被認為是拓撲等價的，存在一個拓撲不變數。事實上，拓撲並不關注長度和角度等局域性質，只關注全局的性質，而全局的拓撲性質不會受局域的微擾而改變。而在物理體系中，環境的干擾主要是以局域的相互作用形式來發生，也就是說拓撲的物理體系可免受環境的影響。拓撲量子計算作為一種容錯的量子計算被人們在 2003 年前後正式提出。
那麼拓撲量子比特要怎麼得到呢？這個問題的關鍵就是馬約拉納零能模和拓撲超導。事實上，在三維（或三維以上）時空中，粒子按照相互交換所導致的效應分為玻色子（Boson）與費米子（Fermion）兩類，它們要麼是費米子要麼是玻色子，其中費米子服從費米-狄拉克分布（Fermi–Dirac statistics）而玻色子遵循玻色-愛因斯坦分布（Bose–Einstein statistics）。
拿最簡單的例子來說，兩個粒子的量子系統，一個粒子繞另外一個粒子轉一圈，這個過程前後系統的量子狀態是不會發生變化的，這等價於對兩粒子進行兩次交換操作。那麼事實上，進行一次交換操作時，系統量子態波函數的相位可允許的改變值是 0 和π，分別對應於玻色子和費米子。情況到了二維空間就不一樣了，出現了介於兩類之間的任意子（Anyon）。而任意子又分為兩大類，阿貝爾與非阿貝爾任意子，前者在相互交換下系統量子態波函數會改變一個任意相位，後者在相互交換下會導致量子態的改變。
（來源：Pixabay）
特別地，對於非阿貝爾任意子而言，我們利用它們在相互交換下量子態的改變進行量子計算。馬約拉納零能模或者說馬約拉納費米子之間的交換就符合非阿貝爾任意子的統計性質，這樣一來我們就能使用一對馬約拉納費米子作為我們的量子比特。如此一來，一個量子比特能夠被拆成兩半，存儲在兩個距離十分遙遠的馬約拉那費米子上。
馬約拉納費米子作為任意子，它們的存在受拓撲保護，局域的環境干擾無法湮滅掉一個任意子，存在於這一對馬約拉納費米子的信息就不會輕易被毀滅。而且傳統的雜訊很難同時以同樣的方式影響這兩個馬約拉那費米子，即消滅了以局域的形式作用於體系的環境雜訊。因此，由馬約拉納費米子構成的量子比特「出錯」的幾率理論上極低，相較於傳統的存儲方式，這樣的存儲方式就顯得極其穩固。
總的來說，這其實是一個相當複雜的議題，摻雜了很多不同物理領域的探討和期望。從發現馬約拉納束縛態到製作穩定的、能使用的拓撲超導體還有很長的路，而從拓撲超導體到拓撲量子計算機也是有很長的路要走。這僅僅是一個開始，從無到有固然激動人心，但是之後的路還得一步一個腳印走下去。
參考：
Evidence for Majorana bound states in an iron-based superconductor
American Mathematical Society
Observation of topological superconductivity on the surface of an iron-based superconductorhttps://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.82.3045
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