“天使粒子”的发现与量子计算机

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    在物理学领域，构成物质的最小、最基本的单位被称为“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。

    根据粒子物理的定义，物质由费米子和玻色子两种基本粒子组成，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。

    费米子是构成物质的原材料，如轻子中的电子、组成质子和中子的夸克、中微子；玻色子是传递作用力的粒子，如光子、介子、胶子、W和Z玻色子。

    马约拉纳费米子（Majorana fermion）是费米子的一种，其独特之处在于，它是一个没有反粒子，或者说反粒子就是其自身的粒子。

    2017年，由张首晟等4位华人科学家领衔的科研团队终于找到了正反同体的“天使粒子”——马约拉那费米子，从而结束了国际物理学界对这一神秘粒子长达80年的漫长追寻。相关论文发表在2017年7月21日出版的《科学》杂志上。

    诺贝尔奖获得者弗兰克·维尔泽克评价这项工作时说，张首晟与团队设计了全新的体系，并在实验中清晰地测量到马约拉那费米子，这真是一项里程碑的工作。

    国际同行指出：发现马约拉那费米子是继发现“上帝”粒子（希格斯波色子）、中微子、引力子之后的又一里程碑发现，以上物质和磁单极、暗物质等一起被视为人类最为梦寐以求的神秘粒子。这次发现不仅具有重大的理论意义，而且具有重要的潜在应用价值：让量子计算成为现实。

    马约拉纳费米子能够用于构造稳固的拓扑量子计算机。量子世界本质上是并行的，一个量子粒子能够同时穿过两个狭缝。所以量子计算机能够进行高度并行的量子计算，远比经典计算机有效。然而，一个量子比特的信息非常难以存储，微弱的环境噪声都能够引起退相干从而毁灭其量子特性。马约拉纳费米子没有反粒子，或者说相当于半个传统粒子，便提供了一种绝妙的可能性：一个量子比特能够存储在两个距离十分遥远的马约拉纳费米子上。如此一来，传统的噪声极其难以同时以同样的方式影响这两个马约拉纳费米子，毁灭所存储的量子信息，使通常非常脆弱的量子比特变为稳固。

    相较于传统的存储方式，比如电子自旋，超导磁通和光子极化，这样存储在远离的两个马约拉纳费米子上的拓扑量子比特，本质上极其稳固。张首晟团队所提出的器件同时还是二维体系，从而允许马约拉纳费米子的纠缠和编辫，使得有效的量子计算成为可能，天使粒子可使已经被认为是最小单位的量子拆成两半，让量子变得更稳定，该项研究已经可以开始应用。