麻省理工團隊首次在金中發現馬約拉納粒子，有助於高容錯量子計算機研發

麻省理工團隊首次在金中發現馬約拉納粒子，有助於高容錯量子計算機研發

美國麻省理工學院的物理學家日前成功在一種常見金屬——「金」（沒錯，就是金子的金）的表面，實際觀察到了馬約拉納粒子，證明了其存在。這為高 「容錯」 型量子計算機研發開啟了新的可能。這項研究發表在《美國國家科學院院刊》（ PNAS ）上。

費米粒子（Fermions）是物理學中的一種基本粒子，一切自旋（Spin）為 1/2 的粒子，比如電子、質子和中子，其實在分類上都是費米粒子。費米粒子的概念最早由英國物理學家保羅 · 狄拉克（Paul Dirac） 提出，認為每個費米粒子在宇宙中都存在著一個與之相對的反粒子。

後來到了 1937 年，義大利物理學家艾索爾 · 馬約拉納（Ettore Majorana）進一步發展了該理論，認為費米粒子中有些粒子，也就是我們這裡所說的馬約拉納粒子，與其反粒子在各項性質上其實是無法區分的。這後來在物理學界掀起了一股尋找馬約拉納粒子的熱潮，甚至一直持續到了現在。

此前已有理論認為，中微子就是馬約拉納粒子的一種，但沒有實證。除此之外，也有理論提出，馬約拉納粒子或能在一些特殊條件下在固體中被觀察到。而麻省理工學院的這項研究給出了實證。

圖 | 此次研究中，「金」表面的馬約拉納粒子想像概念圖。（來源：stock images）

該研究通過設計並培養在超導材料 「釩」 上生長的奈米級金絲，在金絲上層表面檢測電導率確認材料的超導區域，然後再觀察在這些金絲上所分布的，具有 「磁性」的微型硫化銪（Europium Sulfide，其磁性能提供產生馬約拉納粒子的磁場）「小島」，並最終成功在能譜中檢測到了代表著 「馬約拉納粒子存在」 的接近零的能量特徵信號。

麻省理工學院物理系資深研究員 Jagadeesh Moodera 說：「很久以來，我們都在想盡辦法想在實驗中實際檢測到馬約拉納粒子的存在，而現在我們做到了，且證明了它們可被以一種穩定的方式輕松拓展。」

論文共同作者、麻省理工學院的 Patrick Lee 認為， 鑒於他們已經成功發現，並在一定程度了探究了「馬約拉納粒子的可拓展性」，下一步的有關研究方向或是量子計算機中的量子比特開發。

在量子計算機的研發過程中，此前就曾有人提出過 「將馬約拉納粒子當做量子比特」 的想法，即一個量子比特由一對馬約拉納粒子構成，計算中可能出現的 「噪聲」 只會影響兩個馬約拉納粒子中的一個，從而使另一個正常工作，讓量子計算機免受 「噪聲」 影響，持續計算。

然而，雖然人們以前一直致力於在半導體，或超導材料中尋找因材料超導而導致的粒子分裂所可能會產生的馬約拉納粒子，而且就在此次研究發表前，科學家們還很難將這種超導材料的大小按量子計算所需的比例在材料生長過程中放大，以確實地觀察到馬約拉納粒子並對其加以利用。

Patrick Lee 在大概 10 年前帶一個研究生做項目的時候，萌生了 「或許我們也可以從常見類金屬材料中試試看能不能找到馬約拉納粒子」 的想法，其背後的邏輯在於，金屬在與超導體相鄰時會變得超導，而在實驗中，科學家們也經常會將包括金在內的各種金屬制成超導材料，而如果我們能將金制為超導材料，並檢測其表面（材料頂層）的原子狀態，金就有可能能被作為一個 「乾淨」 的、用以檢測馬約拉納粒子是否存在的精確原子系統。而根據 Jagadeesh Moodera 此前在鐵磁絕緣子上研究，如果這種絕緣子被放在超導金的表面，研究人員就很有可能能在其中發現馬約拉納粒子存在的證據，而這也最終讓發現了這一點的 Patrick Lee 和 Jagadeesh Moodera 走到了一起。

Jagadeesh Moodera 說：「除了確實發現馬約拉納粒子的存在，另一個值得注意的點是，我們在 此次研究中的材料制備方法較傳統的‘基於半導體生成量子位’的方法更為穩定，材料本身只是一個將金放置在鐵磁體與超導體間的‘三明治’結構，而這也使其在造價上具有相對來說更可能被商業化的優勢。」

論文共同作者，前麻省理工學院博士後，現在美國加州大學河濱分校（University of California, Riverside）工作的 Peng Wei 認為，研究的下一個方向可能將主要針對如何掌控和利用馬約拉納粒子。Peng Wei 說：「能實際在常見金屬這樣的通用性更高的平臺中觀察到馬約拉納粒子十分重要，這為我們以後對其加以利用打下了基礎，而現在我們既然已經成功做到了這一點，研究的下一個目標就要考慮該如何用馬約拉納粒子構建量子比特了，而我們目前對此也已經有了一些構想。」

參考：https://news.mit.edu/2020/first-majorana-fermion-metal-quantum-computing-0410