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    光明日报 2018年04月12日 星期四

    “天使粒子”的发现与量子计算机

    作者: 《光明日报》( 2018年04月12日 13版)

        【相关链接】

        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。

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