新華社舊金山７月２０日電（記者 馬丹）美國斯坦福大學(xué)華人科學(xué)家張首晟等人２０日在美國《科學(xué)》雜志上報(bào)告說，他們首次發(fā)現(xiàn)了馬約拉納費(fèi)米子存在的證據(jù)。這一重大發(fā)現(xiàn)解決了困擾量子物理學(xué)８０年的難題，對(duì)量子計(jì)算也具有重要意義。

正負(fù)、陰陽、善惡……這個(gè)世界仿佛充滿正反對(duì)立。英國物理學(xué)家保羅·狄拉克１９２８年預(yù)言，每一個(gè)基本粒子都有對(duì)應(yīng)的反粒子。幾年后，科學(xué)家在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了電子的反粒子正電子，驗(yàn)證了這一預(yù)言。１９３７年，意大利物理學(xué)家埃托雷·馬約拉納預(yù)言，自然界中可能存在一類特殊的粒子，它們的反粒子就是自身，這種正反同體的粒子被稱為馬約拉納費(fèi)米子。

不過，馬約拉納費(fèi)米子存在的證據(jù)一直未被發(fā)現(xiàn)，它和中微子、希格斯—玻色子等一起，成為理論早有預(yù)言但長期無法驗(yàn)證的粒子。如今，張首晟團(tuán)隊(duì)終于找到了它存在的證據(jù)。

張首晟把他們發(fā)現(xiàn)的馬約拉納費(fèi)米子稱為“天使粒子”。根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能轉(zhuǎn)換公式，當(dāng)一個(gè)粒子遇上其反粒子就會(huì)發(fā)生湮滅，并釋放能量。美國驚悚片《天使與魔鬼》提到正反粒子湮滅爆炸的場景，將粒子與反粒子比喻天使與魔鬼。“而在我們發(fā)現(xiàn)的馬約拉納費(fèi)米子的世界里，只有天使，沒有魔鬼。”張首晟對(duì)新華社記者說。

在尋找“天使粒子”的過程中，張首晟領(lǐng)導(dǎo)的理論團(tuán)隊(duì)預(yù)言了通過怎樣的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠找到馬約拉納費(fèi)米子，哪些實(shí)驗(yàn)信號(hào)能夠作為證據(jù)；加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校的何慶林、王康隆以及歐文分校的夏晶領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)與理論團(tuán)隊(duì)密切合作，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了被稱為手性馬約拉納費(fèi)米子的一類最基本馬約拉納費(fèi)米子。中國的復(fù)旦大學(xué)和上海科技大學(xué)對(duì)實(shí)驗(yàn)也有貢獻(xiàn)。

按照理論團(tuán)隊(duì)預(yù)言，研究人員搭建了一個(gè)將普通超導(dǎo)體薄膜置于量子反常霍爾效應(yīng)薄膜（即磁性拓?fù)浣^緣體）之上的混合器件。施加低強(qiáng)度外磁場后，研究人員測量到了半整數(shù)量子平臺(tái)，這成為手性馬約拉納費(fèi)米子存在的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

張首晟解釋說，在以往的量子反常霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，隨著調(diào)節(jié)外磁場，會(huì)出現(xiàn)整數(shù)量子平臺(tái)。這是通常的粒子行為。馬約拉納費(fèi)米子沒有反粒子，相當(dāng)于半個(gè)傳統(tǒng)粒子，因此當(dāng)把普通超導(dǎo)體置于量子反常霍爾效應(yīng)薄膜之上時(shí)，在通常的整數(shù)量子平臺(tái)之外，會(huì)新出現(xiàn)半整數(shù)量子平臺(tái)。

他說，發(fā)現(xiàn)馬約拉納費(fèi)米子存在，對(duì)于建造穩(wěn)定的量子計(jì)算機(jī)具有重要意義。

量子計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)行高度并行的量子計(jì)算，效率遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算機(jī)，但環(huán)境噪聲是研發(fā)量子計(jì)算機(jī)的一大障礙。一個(gè)量子比特（量子計(jì)算的基本單位）的信息很難穩(wěn)定存儲(chǔ)，微弱的環(huán)境噪聲就會(huì)破壞其量子特性。

由于馬約拉納費(fèi)米子相當(dāng)于半個(gè)傳統(tǒng)粒子，一個(gè)量子比特可以拆成兩個(gè)費(fèi)米子，這就提供了一個(gè)絕妙的可能性：一個(gè)量子比特的信息能夠儲(chǔ)存在兩個(gè)相距遙遠(yuǎn)的馬約拉納費(fèi)米子上。這樣，傳統(tǒng)的噪聲極難同時(shí)以同樣的方式影響這兩個(gè)馬約拉納費(fèi)米子，也就很難同時(shí)毀滅它們所存儲(chǔ)的量子信息。

 

華人科學(xué)家宣布發(fā)現(xiàn)“天使粒子”

圖文簡介

美國斯坦福大學(xué)華人科學(xué)家張首晟等人２０日在美國《科學(xué)》雜志上報(bào)告說，他們首次發(fā)現(xiàn)了馬約拉納費(fèi)米子存在的證據(jù)。