能够操控马约拉纳准粒子的新技术或将推进量子计算

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能够操控马约拉纳准粒子的新技术或将推进量子计算是怎么回事，是真的吗？2019年07月02日是本文发布时间是这个时间。下面一起来看看到底怎么回事吧。
                                能够操控马约拉纳准粒子的新技术或将推进量子计算
                               
                                普林斯顿大学的研究人员探测到了稳定的马约拉纳准粒子，并找到了“开启“和”关闭”它的方法。这为将马约拉纳准粒子用于量子计算提供了新的可能。
                               
                               



图为扫描隧道显微镜成像得到的马约拉纳准粒子（绿色尖峰），产生于拓扑材料边缘隧道（黄色区域），即在超导体表面的铋薄层边缘的原子台阶处。实验在微小磁体和边缘隧道之间的界面上探测到了稳定的马约拉纳准粒子，但它们只有在小磁体的磁化方向与隧道方向平行时才会出现。来源：普林斯顿大学 Yazdani 实验室

来源 EurekAlert
翻译 Helena
编辑 戚译引

马约拉纳粒子是最令人着迷的物理难题之一，正如赋予它名字的那位意大利科学家一样神秘。它的名声源自其特殊的属性——它是唯一一种反粒子即为自身的粒子，并且它还具备未来用于量子计算的潜质。

近年来，包括普林斯顿大学（Princeton University）团队在内的大量课题组报告了在各类材料中发现马约拉纳粒子，但真正的挑战在于如何操控它为量子计算效力。

本周发表的一项新研究中，普林斯顿大学团队提出了在一种方法，能够在某种装置中控制马约拉纳准粒子，并使其更加稳定存在。这个装置由超导体和拓扑绝缘体材料组成，能够让马约拉纳粒子更好地抵抗外部环境中的高温或震动带来的破坏。此外，团队提出了一种利用集成在装置中的小磁铁“开启”和“关闭”马约拉纳准粒子的方法。该研究被发表于 Science 期刊上。

“通过这项新研究，我们现在多了一种处理材料中马约拉纳准粒子的新方法。”物理学教授、研究资深作者 Ali Yazdani 说，“我们可以通过成像证明它们粒子的存在，同时识别出它们被预言的特性。”

马约拉纳粒子这个名字是为纪念物理学家埃托雷·马约拉纳（Ettore Majorana）而起的，他曾于 1937 年预言了这种神奇粒子的存在，而仅仅一年后就神秘消失于意大利沿岸的一次轮渡旅行中。1928 年物理学家保罗·狄拉克（Paul Dirac）预言电子一定会有其反粒子，后来人们发现了正电子；基于同样的逻辑，马约拉纳提出，理论上存在一种粒子，它的反粒子就是它自己。

通常，当物质与反物质相遇时会发生湮灭，并伴随剧烈的能量释放。但是当成对的马约拉纳粒子分别出现在特殊设计的线路两端时，它们的表现却相对稳定，并且与周围环境仅发生微弱的相互作用。这样的粒子对使得在两个不同地点存放量子信息成为可能：它们具有较强的抗干扰能力，因为改变量子状态需要同时对线路两端的粒子进行操作。

这种能力引起了技术人员的关注，他们想要找到一种方法，以更加稳定地产生量子位，即量子计算的基本单位。量子系统或许能够解决当今计算机无法解决的问题，因而备受推崇，但它需要维持一种称为叠加态的脆弱状态，这种状态一旦被破坏，就会带来整个系统的崩溃。

基于马约拉纳系统的量子计算机将信息存储于成对的粒子中，并通过让它们发生相互作用进行计算。计算的结果由马约拉纳粒子间的湮灭决定，这种湮灭要么导致一个电子的出现（通过电荷进行检测），要么什么也不发生，取决于马约拉纳粒子对如何相互作用。马约拉纳粒子对湮灭的概率结果，构成了其用于量子计算的基础。

那么挑战来了：如何产生并轻松控制马约拉纳粒子？它们可能存在的地方之一就是超导基底上单原子层厚度的磁性原子链末端。2014 年，Science 报告 Yazdani 与合作者采用扫描隧道显微镜（STM）针尖对原子进行扫描，以揭示准粒子的存在，在超导体表面的铁原子链两端发现了马约拉纳粒子。

接下来，该团队对马约拉纳粒子的量子自旋（电子和其他亚原子粒子具有的一种共同特性）进行了探测。在 2017 年的另一篇 Science 论文中，研究团队指出，马约拉纳粒子的自旋特性是一种独特的信号，可以据此判定一个被测准粒子确实是马约拉纳粒子。

在最新的研究中，普林斯顿团队探索了另一个被预测存在马约拉纳粒子的地方：与超导体接触的拓扑绝缘体边缘形成的隧道中。电子在超导体中畅通无阻，而在拓扑绝缘体中，电子只能沿着材料边缘运动。

该理论预测，马约拉纳准粒子会在拓扑绝缘体与超导材料体接触位置的边缘薄层中产生。超导体的接近使电子可以沿着拓扑绝缘体边缘无阻流动，边缘需足够薄，可被视为一根导线。由于马约拉纳粒子形成于线路两端，切断线路应该能够迫使它们出现。

“这曾经只是一个预测，多年来一直没有任何进展，”Yazdani 说，“我们决定研究如何实现这种结构，因为它有机会产生更为稳定的马约拉纳粒子，材料不完美或温度变化都不会对它造成影响。”

该团队通过在一块铌超导体上蒸镀一层薄薄的铋拓扑绝缘体实现了这种结构。接下来，他们在上方放置纳米尺度的磁性存储位，以提供磁场，使电子流脱轨，产生相当于切断线路的效果。最后，团队用 STM 观测了该结构。

然而，使用显微镜搜寻马约拉纳粒子时，研究人员们一开始却对眼前的结果产生了困惑。他们时而能看到马约拉纳粒子出现，时而什么也找不到。经过进一步的研究，他们发现只有当磁性存储位的磁化方向平行于电子沿通道流动方向的时候，马约拉纳粒子才会出现。

“当我们开始研究小磁铁的特性时，我们意识到它们是控制参量。”Yazdani 说，“磁性存储位的朝向决定了马约拉纳粒子出现与否，这就像是一个开关。”

团队表示，这个系统产生的马约拉纳准粒子有很强的稳定性，因为它的发生能量与系统中可能存在的其他准粒子不同，并且它产生于拓扑边缘模式下，天然具有抗干扰性。拓扑材料的名字来源于数学中的拓扑学，即描述物体如何通过拉伸或弯折而形变的分支。在拓扑材料中流动的电子在任何的凹陷或缺陷周围都将继续保持运动。