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金中發現馬約拉納粒子,有助于高容錯量子計算機研發

  

      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”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)是物理學中的一種基本粒子,一切自旋(Spin)爲 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。後來到了 1937 年,意大利物理学家艾托尔 · 马约拉纳(Ettore Majorana)進一步發展了該理論,認爲費米粒子中有些粒子,也就是馬約拉納粒子,與其反粒子在各項性質上其實是無法區分的。此前已有理論認爲,中微子就是馬約拉納粒子的一種,但沒有實證;除此之外,也有理論提出,馬約拉納粒子或能在一些特殊條件下在固體中被觀察到。而麻省理工學院的這項研究給出了實證。

 

 

| 此次研究中,“金”表面的马约拉纳粒子想象概念圖。(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。

      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,雖然人們以前一直致力于在半導體,或超導材料中尋找因材料超導而導致的粒子分裂所可能會産生的馬約拉納粒子,而且就在此次研究發表前,科學家們還很難將這種超導材料的大小按量子計算所需的比例在材料生長過程中放大,以確實地觀察到馬約拉納粒子並對其加以利用。 

      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。将金制为超导材料,并检测其表面(材料顶层)的原子状态,金就成为一个 “干净” 的、用以检测马约拉纳粒子是否存在的精确原子系统。除了確實發現馬約拉納粒子的存在,另一個值得注意的點是,此次研究中的材料制備方法較傳統的‘基于半導體生成量子位’的方法更爲穩定,材料本身只是一個將金放置在鐵磁體與超導體間的‘三明治’結構,這使其在造價上具有相對來說更可能被商業化的優勢