上海交大研究员称：“上帝粒子”家族有望探测到新成员

伤我心太深

　现在，人们看到的天气预报大致是这样的：某月某日，晴，6～15℃，西北风3～4级。

　　未来，人们看到的天气预报会变成这样：某月某日某分某秒，实时温度15℃，西北风3级。

　　这种超给力的天气预报会变成现实吗？答案是：有了拓扑量子计算机，像实时天气预报这样便捷的生活都将变成现实。

　　近日，上海交大物理系贾金锋、钱冬研究组对外宣布：由他们领衔的科研团队在实验室制备出一种由拓扑绝缘体材料和超导体材料复合而成的特殊人工薄膜。这种特殊的薄膜是产生Majorana费米子的必要条件。上海交大科研团队有望在年内实现探测Majorana费米子的突破。

　　上海交大特别研究员钱冬介绍，如果找到了Majorana费米子，将使在固体中实现拓扑量子计算成为可能，这将引发未来电子技术的新一轮革命，人类也将进入拓扑量子计算时代。

　　跨世纪预言或将得到应验

　　在解释这个跨世纪的预言之前，需要先弄明白粒子的“两个家族”。

　　粒子可以分成两大种类，费米子和玻色子。费米子家的典型代表是电子，它存在于我们日常使用的各种电器中。而玻色子家的最常见代表是光子，也就是我们熟悉的光。玻色子这户“人家”有一个共同的脾性是：“翻脸”后还是一家人；而费米子这家则完全相反，它们“翻脸”后，就成了“陌路人”。

　　物理学家认为，任何粒子都有它的双胞胎兄弟，也就是它的反粒子。正反物质碰到一起，就会一起消失，变成光。1937年，意大利物理学家埃托雷·马约拉纳(Majorana)预测，自然界中可能存在一类特殊的费米子，它是自己的反粒子，自己是自己的双胞胎兄弟，人们就给它起了个名字叫“Majorana费米子”。

　　“Majorana费米子”很神秘莫测，从20世纪到21世纪，全世界的物理学家一直在寻找它。理论物理学家已经提出了多个“Majorana费米子”可能“藏身”的材料体系，其中上海交大低维物理和界面工程实验室贾金锋、钱冬、刘灿华、高春雷4位教授联合攻关的拓扑绝缘体与超导体的界面就是极有可能存在“Majorana费米子”的地方。

　　钱冬介绍，近年来，随着拓扑绝缘体的问世，国际上掀起了新一轮在实验上追寻“Majorana费米子”的竞赛。上海交大已经制备出最适合探测和操纵“Majorana费米子”的人工薄膜系统，有望在年内实现探测“Majorana费米子”的突破。

　　小薄膜成就物理学重大突破

　　那么，究竟是什么薄膜有如此“神通”，能够帮助人们找到“Majorana费米子”？

　　据介绍，这种特殊的薄膜，由拓扑绝缘体材料和超导材料复合而成，厚度只有一根头发丝的一万分之一。通过精确控制，将所需材料的原子一层一层垒起来，最终达到产生“Majorana费米子”的必要要求。

　　钱冬给记者举了一个例子，想象一下，在我们面前放了一张桌子，桌面上要做一个贵重的台面，把拓扑绝缘体看作台面，把超导材料看作桌子，怎么把台面和桌子有机地合在一起？这个看似简单的事情却是物理学领域的一个大难题。由于界面反应和晶格匹配等问题，拓扑绝缘体与超导体之间的高质量的薄膜非常难以制备。

　　上海交大低维物理和界面工程实验室想出了一个解决方法，他们通过无数次实验，在拓扑绝缘体与超导体之间插入一种超薄的过渡层，从而形成一种特殊的人工薄膜，首次成功地实现了超导体和拓扑绝缘体的“珠联璧合”。他们发现，超导的特性能够传递到拓扑绝缘体上，使拓扑绝缘体也具有超导体的“本领”。

　　小小薄膜成就了物理学领域的重大突破，这项研究成果即将在《Science》杂志发表。

　　人类或将进入拓扑量子计算时代

　　20世纪的重大成就之一是计算机的发明，然而计算机的发展正在面临着一个重大挑战，我们现在使用的计算机还处于大规模集成电路时代。

　　近半个世纪以来，计算机的性价比基本遵循着著名的摩尔定律：芯片的集成度和性能每18个月提高一倍，摩尔定律的成功维持得益于高器件密集度的大规模半导体集成电路的发展。

　　钱冬介绍，随着半导体加工工艺的进一步发展，人们预期在不远的将来半导体集成电路中晶体管的尺寸将达到10纳米的尺度。在这么小的尺度下，依靠提高集成电路的密集度来增加计算能力已不太可能。因此，如何进一步提高计算能力是对基础物理研究的一个重大挑战。

　　用量子力学效应实现全新的计算模式，是一条正在探索的途径。但存储在量子状态中的信息容易受到外界的影响而出错甚至丢失，传统计算机里面的一些容错方法也不适合量子计算机。

　　容错性成为实现量子计算的关键。其中，一种特殊的量子计算机方案——拓扑量子计算是近年来发展的一个可能的解决方案。如果人类找到了“Majorana费米子”，就仿佛找到了一把通往拓扑量子计算时代的“钥匙”，因为它使在固体中实现拓扑量子计算成为可能，人类也将进入拓扑计算时代。