【中國青年報】科學家發現神奇粒子罕見一面 邁出拓撲量子計算重要一步
2022-06-10
文章來源: 中國青年報

  中國青年報客戶端北京6月9日電(中青報·中青網記者 邱晨輝)馬約拉納費米子被稱作神奇粒子,其反粒子就是它自身。記者今天從中科院物理所了解到,該所高鴻鈞院士帶領的聯合團隊在鐵基超導材料鋰鐵砷中觀測到大面積、高度有序和可調控的馬約拉納準粒子格點陣列,向拓撲量子計算的實現邁出了重要一步。

  北京時間6月8日深夜,這一研究成果在《自然》雜志上發表。在該研究中,中科院物理所李萌、李更和曹路為論文共同第一作者,汪自強和高鴻鈞為共同通訊作者。

  “道生一,一生二,二生三,三生萬物?!边@是古人對世界的認知和理解,表達了萬物由簡而繁的構造過程。

  對物理學家而言,世間萬事萬物都是可以拆分的:一杯水,可以拆分為很多的水滴;一個水滴,可以拆分為很多的水分子;一個水分子,可以拆分為兩個氫原子和一個氧原子;一個原子,可以進一步拆分為電子、夸克等微觀粒子。拆分到最后,物理學家們發現所謂的“萬物”,其實都是由60多種基本粒子構成的。對這60多種基本粒子及其性質的探索發現,便是物理學家所追求的“道”。

  這其中,有一種神奇的基本粒子,它的反粒子是它本身。這種基本粒子叫作“馬約拉納費米子”。這種“馬約拉納費米子”是由意大利物理學家埃托雷·馬約拉納在1937年理論預言的。然而在其預言后的80多年時間里,粒子物理學家們始終未能在廣袤宇宙中找到該粒子存在的確切證據。

  凝聚態物理理論學家預言,在固體材料中可能會出現與馬約拉納費米子類似的粒子,這種粒子被稱為“馬約拉納準粒子”,或是“馬約拉納零能?!?。

  李更介紹,馬約拉納準粒子的統計規律,既不像玻色子,也不像費米子,而是表現為一種獨特的非阿貝爾統計規律。這種準粒子的編織操作,被認為是實現容錯拓撲量子計算的重要途徑。量子計算機遵循量子力學規律,因其處理復雜問題時,相比傳統計算機有著巨大的優越性而被公眾所熟知。歐美一些國家的政府和科技巨頭企業也投入了巨大的人力物力和財力發展量子計算。

  “量子計算的主要挑戰在于量子態很容易受環境的干擾,產生退相干現象,使得計算過程中會不斷地產生錯誤?!崩罡f,由馬約拉納準粒子組成的非局域拓撲量子比特,可以從原理上解決量子計算無法避免的量子退相干問題,引起了研究人員的廣泛關注。

  2018年,中科院物理所高鴻鈞研究團隊與丁洪研究團隊合作,利用其自主設計組裝的極低溫強磁場掃描隧道顯微鏡/譜聯合系統,精確測量了鐵基超導體鐵碲硒樣品的超導渦旋,首次在鐵基超導材料中觀測到馬約拉納準粒子。

  “與之前的材料體系相比,鐵基超導體具有材料簡單和觀測溫度高等優勢,并且可以觀測到純凈的馬約拉納準粒子?!备啉欌x說。

  2020年,他們進一步通過連續可控的改變針尖與該樣品之間的隧穿耦合強度,觀測到了馬約拉納準粒子的近量子化電導平臺特征,給出了鐵基超導體中存在馬約拉納準粒子的關鍵性實驗證據。

  然而,這些鐵基超導材料體系還是存在著材料組分不均一、磁通渦旋陣列無序、不可控以及馬約拉納準粒子占比低等問題,阻礙了其進一步的研究和應用。如何突破當前研究瓶頸,獲得大面積、高度有序且可調控的馬約拉納準粒子陣列,向拓撲量子計算更進一步,是當前鐵基超導馬約拉納領域亟待解決的問題之一。

  如今,高鴻鈞研究團隊對鐵基超導體鋰鐵砷進行了細致而深入的研究。他們利用多年積累的掃描隧道顯微鏡研究平臺和豐富的研究經驗在實驗上發現,應力可以誘導出大面積、高度有序和可調控的馬約拉納準粒子陣列。

  研究團隊認為,這項研究的重要意義在于首次實現了大面積、高度有序和可調控的馬約拉納準粒子陣列,并觀測到了調控引起的馬約拉納準粒子相互作用,為下一步實現馬約拉納準粒子的編織以及拓撲量子計算奠定了堅實的基礎。

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