中國科學(xué)院物理研究所高鴻鈞研究員帶領(lǐng)的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在鐵基超導(dǎo)材料鋰鐵砷中首次實(shí)現(xiàn)了大面積、高度有序和可調(diào)控的馬約拉納零能模格點(diǎn)陣列，這一發(fā)現(xiàn)向著實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑?jì)算邁進(jìn)了一步。該成果于6月8日在《自然》上刊發(fā)。

宇宙中存在一種神奇的基本粒子，它的反粒子是它自身，這種粒子被稱為馬約拉納費(fèi)米子。在固體材料中可能出現(xiàn)的與其類似的粒子，被稱為馬約拉納零能模，其編織操作可用于拓?fù)淞孔佑?jì)算。

中國科學(xué)院物理研究所高鴻鈞研究員帶領(lǐng)的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，在鐵基超導(dǎo)材料鋰鐵砷中首次實(shí)現(xiàn)了大面積、高度有序和可調(diào)控的馬約拉納零能模格點(diǎn)陣列，并觀測到了調(diào)控引起的馬約拉納零能模相互作用，向拓?fù)淞孔佑?jì)算的實(shí)現(xiàn)邁出了重要一步。該成果于北京時(shí)間6月8日在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》上刊發(fā)。

探 索

實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)拓?fù)淞孔佑?jì)算的重要途徑

“道生一，一生二，二生三，三生萬物”，這是古人對(duì)世界的認(rèn)知和理解，表達(dá)了萬物由簡而繁的構(gòu)造過程。對(duì)物理學(xué)家而言，萬物都是可以拆分的：一杯水，可以拆分為很多水滴;一個(gè)水滴，可以拆分為很多水分子;一個(gè)水分子，可以拆分為兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子;一個(gè)原子，可以進(jìn)一步拆分為電子、夸克等微觀粒子。拆分到最后，物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)所謂的“萬物”，其實(shí)都是由60多種基本粒子構(gòu)成的。對(duì)這60多種基本粒子及其性質(zhì)的探索發(fā)現(xiàn)，是粒子物理學(xué)家的研究目標(biāo)。

這些基本粒子按照統(tǒng)計(jì)規(guī)律的不同可以劃分為玻色子和費(fèi)米子兩大類，例如人們所熟知的光子屬于玻色子，電子屬于費(fèi)米子。對(duì)于費(fèi)米子而言，大多數(shù)費(fèi)米子的反粒子與它本身不同，例如電子的反粒子是正電子，帶有一個(gè)單位的正電荷。這類費(fèi)米子被稱為“狄拉克費(fèi)米子”，以物理學(xué)家保羅·狄拉克命名。

宇宙中還有另一種神奇的基本粒子，它的反粒子是它本身。這種基本粒子叫做“馬約拉納費(fèi)米子”，是由物理學(xué)家埃托雷·馬約拉納在1937年理論預(yù)言的。然而在其預(yù)言后的80多年時(shí)間里，粒子物理學(xué)家們始終未能在廣袤宇宙中找到該粒子存在的確切證據(jù)。

在物理學(xué)的另一大分支——凝聚態(tài)物理領(lǐng)域，理論學(xué)家預(yù)言，在固體材料中可能會(huì)出現(xiàn)與馬約拉納費(fèi)米子類似的粒子，這種粒子被稱為馬約拉納準(zhǔn)粒子，或是馬約拉納零能模。

中科院物理所副研究員李更說：“馬約拉納零能模的統(tǒng)計(jì)規(guī)律既不像玻色子，也不像費(fèi)米子，而是表現(xiàn)為一種獨(dú)特的非阿貝爾統(tǒng)計(jì)規(guī)律。這種準(zhǔn)粒子的編織操作被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)拓?fù)淞孔佑?jì)算的重要途徑?！?/p>

發(fā) 現(xiàn)

在鐵基超導(dǎo)體上觀測到了馬約拉納零能模

量子計(jì)算機(jī)遵循量子力學(xué)規(guī)律，因其處理復(fù)雜問題時(shí)相比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)有著巨大的優(yōu)越性而被公眾所熟知。目前，世界上許多國家的政府和科技巨頭企業(yè)均投入了巨大精力發(fā)展量子計(jì)算。量子計(jì)算的主要挑戰(zhàn)在于量子態(tài)很容易受環(huán)境的干擾，產(chǎn)生退相干現(xiàn)象，使得計(jì)算過程中會(huì)不斷地產(chǎn)生錯(cuò)誤，影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。而由馬約拉納零能模組成的非局域拓?fù)淞孔颖忍?，可以從原理上解決量子退相干問題，引起了研究人員的廣泛關(guān)注。

在早期觀測馬約拉納準(zhǔn)粒子載體材料中，比較有代表性的材料體系包括常規(guī)超導(dǎo)體近鄰下的半導(dǎo)體納米線、常規(guī)超導(dǎo)體表面的磁性原子鏈，以及超導(dǎo)體—拓?fù)浣^緣體界面等。這些材料往往存在制備困難、對(duì)極低溫的要求較苛刻等問題。

2018年，高鴻鈞研究團(tuán)隊(duì)與丁洪研究團(tuán)隊(duì)合作，利用其自主設(shè)計(jì)組裝的國際頂尖水平的極低溫強(qiáng)磁場掃描隧道顯微鏡/譜聯(lián)合系統(tǒng)，精確測量了鐵基超導(dǎo)體鐵碲硒單晶樣品的超導(dǎo)渦旋，首次在鐵基超導(dǎo)體中觀測到馬約拉納零能模。

高鴻鈞說：“與之前的材料體系相比，鐵基超導(dǎo)體具有材料簡單和觀測溫度高等優(yōu)勢，并且可以觀測到純凈的馬約拉納零能模?！?/p>

隨后幾年里，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)鐵基超導(dǎo)體中的馬約拉納零能模做了一系列進(jìn)一步研究，澄清了馬約拉納零能模的拓?fù)浔举|(zhì);觀測到了馬約拉納零能模的近量子化電導(dǎo)平臺(tái)特征，給出了鐵基超導(dǎo)體中存在馬約拉納零能模的關(guān)鍵性實(shí)驗(yàn)證據(jù);在鐵磷基超導(dǎo)體上觀測到了馬約拉納零能模，極大地?cái)U(kuò)展了馬約拉納零能模載體平臺(tái)。

然而，這些鐵基超導(dǎo)材料體系還是存在著材料組分不均一、磁通渦旋陣列無序且不可控以及馬約拉納零能模占比低等問題，阻礙了其進(jìn)一步的研究和應(yīng)用。如何突破當(dāng)前研究瓶頸，獲得大面積、高度有序且可調(diào)控的馬約拉納零能模陣列，向拓?fù)淞孔佑?jì)算更進(jìn)一步，是當(dāng)前鐵基超導(dǎo)馬約拉納領(lǐng)域亟待解決的問題之一。

意 義

為實(shí)現(xiàn)馬約拉納零能模的編織以及拓?fù)淞孔佑?jì)算奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)

此次高鴻鈞研究團(tuán)隊(duì)對(duì)鐵基超導(dǎo)體鋰鐵砷進(jìn)行了細(xì)致而深入的研究。利用多年積累的強(qiáng)大的掃描隧道顯微鏡研究平臺(tái)和豐富的研究經(jīng)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力可以誘導(dǎo)出大面積、高度有序和可調(diào)控的馬約拉納零能模陣列。

高鴻鈞說：“我們這項(xiàng)研究重要意義在于首次實(shí)現(xiàn)了大面積、高度有序和可調(diào)控的馬約拉納零能模陣列，并觀測到了調(diào)控引起的馬約拉納零能模相互作用，為下一步實(shí)現(xiàn)馬約拉納零能模的編織以及拓?fù)淞孔佑?jì)算奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。”

談及下一步的研究計(jì)劃，高鴻鈞表示，希望能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)馬約拉納零能模的編織，“如果能實(shí)現(xiàn)的話，這應(yīng)該是一個(gè)世界級(jí)的突破。但即使編織實(shí)現(xiàn)，離真正實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)還有很遠(yuǎn)的路要走?！?/p>

關(guān)鍵詞： 基本粒子 物理學(xué)家 統(tǒng)計(jì)規(guī)律 超導(dǎo)材料 量子計(jì)算機(jī)