科學家發現“天使粒子”，馬約拉納費米子在80年後現身，或將為微軟破除量子計算核心技術障礙

一個重磅科學發現幾乎橫掃了大多數中文媒體：科學家們發現了“天使粒子”——馬約拉納費米子。

就在昨天，科學家們表示，他們已經發現了現實中馬約拉納費米子確實存在的證據！該研究由加州大學和斯坦福大學合作完成，兩校的研究團隊分別由夏晶教授、王康隆教授和張首晟教授帶領。其中，張首晟教授的團隊負責製定實驗方案，而加州大學方麵的團隊負責實際進行實驗——該研究已發表在本月 20 日的《Science》雜誌上。

這一發現確實在物理界舉足輕重，而在“天使粒子”的光環之下，如果有一個“隱形”的最大受益者，那可能就是微軟。實際上，在量子計算這場科技巨頭們最前沿的競爭中，微軟選擇了一條“少有人走的路”：通過操控馬約拉納費米子作為量子比特來實現量子計算機。

這也就意味著，微軟在昨天的科學研究發布之前——也就是物理學界還沒有百分之百地確定這種粒子能被觀測到之前——早就已經開始規劃和利用這種粒子來實現量子計算機。

圖 | 馬約拉納費米子（藍色、紅色、紫色）在疊加了一層超導體的拓撲絕緣體中運動。電子（綠色）則在拓撲絕緣體邊緣運動

其實，微軟的量子計算計劃早在 2004 年就開始了。時任微軟技術與研究戰略副總裁的 Craig Mundie 接受了微軟科學家、拓撲學大師 Michael Freedman 的建議，由後者全權負責組建量子計算研究團隊，也就是成立於 2005 年的 Station Q。

當時，微軟其實並沒有開發量子計算機的計劃，但 Craig Mundie 敏銳的察覺到，必定將會有一種全新的計算方式來顛覆傳統計算機。轉機出現在 2012 年，荷蘭物理學家在超低溫半導體晶體中發現了馬約拉納費米子可能存在的證據——這令遠在美國的 Craig Mundie 和 Michael Freedman 感到異常興奮。

後來，Craig Mundie 回憶道：“這是個非常關鍵的時刻，因為這一發現為微軟的量子計算機之路指明了方向！”

圖 | 微軟科學家、拓撲學大師Michael Freedman

到了 2016 年 11 月，微軟官方網站刊文指出，其已經潛心進行了十多年量子計算機的研發工作，是時候將研究成果付諸於實踐，並打造出屬於微軟的量子計算工程樣機了。而且微軟宣稱，經過十多年的積澱，這可能是一台能擊敗穀歌和IBM的量子計算原型機。

毫無疑問，微軟在這種難以製備的量子比特上下了很大的賭注。實際上，這種基於馬約拉納費米子的量子比特具有可靠性高的特性，從工程學上看，容易實現擴展和量產。同時，這種量子比特是一種拓普量子比特，而根據拓撲量子計算理論，在足以清除傳統量子比特信息的外界擾動中，拓撲量子比特依然可以保持其可靠性。

然而，相比之下，在選擇哪種材料作為量子比特的問題上，穀歌、IBM采用了與微軟完全不同的技術底牌——使用超導導線環作為量子比特。所以，對前者這兩家公司來說，這次發現的“天使粒子”甚至更適合被稱作“魔鬼粒子”。

圖 | IBM於5月最新發布的17量子比特芯片

實際上，馬約拉納費米子其實並不是一個全新的概念，其曆史可以追溯到 1928年。當時，物理學家保羅·狄拉克（Paul Dirac）從他的狄拉克方程中提出了這樣一種理論：宇宙中的每個基本粒子都有一個相對的反粒子——反粒子具有與對應粒子嚴格相同的質量、壽命、自旋等“永遠為正的”參數，但它們的所帶電荷與對應粒子的正好相反，正反粒子相遇時會相互泯滅並放出能量。

在狄拉克預言的幾年後，世界上的第一個反物質“正電子”就在實驗中被發現，這使得反粒子、反物質的概念迅速在物理界中升溫。

到了 1937 年，意大利物理學家埃托雷·馬約拉納（Ettore Majorana）基於對狄拉克方程的修正提出了另一觀點：這位科學家預言，在被稱為費米子的粒子當中（包括質子，中子，電子，中微子和誇克），應該存在一種正反同體的粒子——也就是說，這種特殊的粒子，其反粒子就是它們自己本身。從此之後，這種粒子就被稱為“馬約拉納費米子”（Majorana fermions）。

圖 | 粒子物理學家埃托雷·馬約拉納

這位物理學傳奇人物的經曆也和這些難覓蹤影的粒子特頗為相似：1938年，也就是提出馬約拉納費米子的一年後，他帶著所有的銀行存款，搭乘一艘渡船，從此消失不見。

那麼，馬約拉納費米子又有什麼神奇特質？這還得從費米子說起。在物理學中，人們把假想中構成物質的最小、最基本的單位稱為“基本粒子”。它們是在不改變物質屬性前提下的最小體積物質，也是組成各種各樣物體的基礎。基本粒子又分為兩種：費米子和玻色子，分別以美國物理學家費米和印度物理學家玻色的名字命名。

圖 | 美國物理學家恩裏科·費米（左）、印度物理學家薩特延德拉·玻色（右）

其中，費米子泛指所有自旋為半奇數（1/2的奇數倍）的粒子，遵從泡利不相容原理，即一個係統中不能同時有兩個具有相同的量子態（如自旋）。在標準模型中，除中微子之外的所有費米子都會在低能態時表現為狄拉克費米子，即具有反粒子的費米子。

馬約拉納費米子就是一種費米子。因為粒子與其對應的反粒子具有相反的電荷，而馬約拉納費米子的反粒子就是自己本身，所以馬約拉納費米子帶零電荷。

科學家們也曾一度接近發現馬約拉納費米子。雖然標準模型中所有基本費米子都帶有電荷，因而不滿足馬約拉納費米子的特性，但用於解釋中微子振蕩的右手性中微子卻可能具有馬約拉納費米子的特性，科學家們曾在理論上以此解釋中微子極小的質量。

然而，為了驗證這一猜想，科學家們需要設計超高精度的無中微子的beta雙衰變實驗，這個精度曾被預言是今後 10 到 20 年之內的技術都無法達到的。

在昨天剛剛公布的發現中，科學家同樣需要克服很多問題。張首晟教授提出的方案中，馬約拉納費米子這種沒有“另一半”（隻有粒子沒有額外的反粒子，相當於傳統粒子“一半”）的性質成為了解決問題的關鍵：隨著外部磁場的變化，反常量子霍爾效應薄膜呈現出量子平台，即基於量子霍爾效應，材料的電阻會在圖像上以“e^2/h”的整數倍“跳台階”地變化，既然馬約拉納費米子相當於“半個”一般的費米子，那它就可能以“e^2/h”的1/2倍“跳台階”。

圖丨由量子反常霍爾效應薄膜和普通超導體薄膜組成的混合器件

實驗方案將普通超導體置於反常量子霍爾效應薄膜之上，臨近效應使它呈現出馬約拉納費米子的特性，多出新的量子平台，對應 1/2 倍基本電阻單位e2/ h。果不其然，在加州大學後來的實驗中，研究人員發現了這個奇特的“1/2”台階。

圖丨實驗結果的圖像

研究團隊觀察到的馬約拉納費米子被稱為“手性”費米子，因為它在一維上隻沿著一個方向運動。參與研究的科研人員表示，實驗的建立和實施都異常複雜，但它們產生的信號是清晰無誤的。

關於實驗結果，張首晟教授在接受媒體采訪時稱，盡管尋找馬約拉納費米子的工作比我們之前想象的要複雜得多，目前做的工作也十分有限， 但它在未來可能對構建穩定的量子計算機具有重要意義。

圖丨實驗中出現的半量子電導平台

看到這裏，你很可能會產生這樣一個疑問：既然馬約拉納費米子的尋找過程如此複雜，前文提到的微軟為何要將自家的量子計算機押在其上呢？

其實，很早就有科學家預言，馬約拉納費米子是製造量子計算機的完美選擇之一。由於其反粒子就是自己本身，它的狀態非常穩定，能避開一般的用於量子計算的粒子狀態不穩定的缺點（電磁幹擾或物理幹擾會打斷它們進行中的計算）。

前景無限，但難以製備，微軟在馬約拉納費米子上下了很大的賭注。這個時候，我們不得不提微軟量子計算團隊的負責人 Todd Holmdahl——這位當年負責 Xbox 和 Xbox360 主機的硬件開發項目的微軟資深副總裁，在 2016 年被委以重任，帶領一支由數學家、物理學家和工程師組成的團隊，致力於打造出擊敗穀歌和IBM的量子計算原型機。

圖 | Todd Holmdahl，微軟的量子計算硬件和軟件研發項目負責人

在當時，穀歌、IBM甚至另外的一些初創公司已經打造出了各自的量子計算機硬件，並實現了數據運算，但微軟看上去一直進展緩慢。

但這些都沒有影響 Todd 的信心。“我個人的好勝心很強，而且我個人一直負責公司的產品研發。什麼樣的技術最後能成為產品，我有比較清晰的思路”，這是Todd 當年的豪言壯語。

2016 年底，在 Todd Holmdahl 接手領導微軟量子計算機計劃的同時，另外兩位傑出的實驗物理學家也加入了攻關團隊，而這兩位科學家的工作正是確定馬約拉納費米子的存在。可以說，科學家們的最新研究很有可能為微軟排除了最關鍵的技術障礙之一。

“微軟這是在豪賭”，德克薩斯大學奧斯丁分校的教授 Scott Aaronson 曾這樣評價微軟的量子計算機戰略。現在看來，微軟的機會比之前更大了。