正反同体的“天使粒子”

罗 琼 武汉大学电子信息学院

China Policy Review - - 目次 - □罗琼

继2016年美国科学家宣布第一次直接探测到引力波的存在,找到了爱因斯坦广义相对论的最后一块拼图后,物理学又迎来重大突破:由 4位华人科学家领衔的科研团队终于找到了正反同体的“天使粒子” ——马约拉纳(Majorana)费米子,为持续了整整80 年的科学探索画上了圆满的句号。从2010年到 2015 年,斯坦福大学的张首晟团队连续发表三篇论文,精准预言了实现马约拉纳费米子的体系及用以验证的实验方案。加州大学洛杉矶分校的王康隆等实验团队依照张首晟的理论预测,成功发现了手性马约拉纳费米子。这颗粒子的发现将引发新一轮电子计算革命。

基本粒子是什么

在物理学领域,构成物质最小、最基本的单位被称为“基本粒子”。它们是在不改变物质属性前提下的最小体积物质。基本粒子又分为两种:费米子和玻色子,分别以美国物理学家费米和印度物理学家玻色的名字命名。

根据粒子物理的定义,物质由费米子和玻色子两种基本粒子组成,费米子是构成物质的原材料(如轻子中的电子、组成质子和中子的 夸克、中微子);玻色子是传递作用力的粒子(光子、介子、胶子等)。基本粒子要比原子、分子小得多,现有最高倍的电子显微镜也不能观察到。例如,质子、中子的大小,只有原子的十万分之一。而轻子和夸克的尺寸更小,还不到质子、中子的万分之一。

马约拉纳费米子

位列神秘粒子名单的马约拉纳费米子是费米子的一种,其独特之处在于,它是一个没有反粒子,或者说反粒子就是其自身的粒子。

东西方哲学家都认为,人类生活在一个充满正反对立的世界:有正数必有负数,有阴必有阳,有善必有恶,有天使必有恶魔。1928 年,伟大的理论物理学家狄拉克(Paul Adrien Maurice Dirac)做出惊人的预言:宇宙中每一个基本费米粒子必然有相对应的反粒子。根据爱因斯坦E = mc2的质能公式,当一个费米子遇上它的反粒子,它们会相互湮灭,从而使两个粒子的质量消失并转化为能量。

从此以后,宇宙中有粒子必有其反粒子被认为是绝对真理。然而,会不会存在一类没有反粒子的 粒子,或者说正反同体的粒子呢? 1937年,意大利理论物理学家埃托雷·马约拉纳(Ettore Majorana)在他的论文中猜测有这样神奇的粒子存在,即粒子本身又是其反粒子。该粒子因此被命名为马约拉纳费米子。然而,多年以来,这种粒子一直没有被真正发现,所以研究慢慢冷却。直到20 多年前,因为量子计算机的研究,才使得这一研究领域再次受到关注。

主导该研究的王康隆教授认为,马约拉纳费米子正反同体,就像道家的阴阳八卦图一样,因此叫“太极粒子”可能更贴切。同为论文作者之一的张首晟教授认为,“天使粒子”是一个完美的世界,只有天使,没有魔鬼,因此他提出这一新发现的手性马约拉纳费米子应称为“天使粒子”。对此,作为第一作者的何庆林教授表示,因为从物理层面来说,马约拉纳费米子阴阳同体且呈现电中性,而且此次成果主要是华人科学家的突破,所以他更倾向于“太极粒子”这一富有中国哲学意味的命名。

天使粒子的意义

马约拉纳费米子被发现,将从

哲学层面挑战人类对现有世界的认知,即世界不完全是正反对立的,有阴不一定有阳,有天使不一定有魔鬼。除此之外,这一发现还具有更加现实的意义——在固体中实现拓扑量子计算将成为可能。

20世纪初,物理学界掀起量子革命,在颠覆经典物理学、为人们认识世界和宇宙打开新大门的同时,量子世界的波粒二象性、波函数坍缩等基本数学特性,也为科学家们带来新的未解谜团。

为了解释这些现象,科学家们提出了哥本哈根解释、多宇宙论、隐变量理论以及退相干历史等,但至今仍未真正揭开量子论的神秘面纱。尽管如此,量子论的兴起依然彻底改变了世界的面貌,核能、计算机技术、新材料、能源技术、信息技术等的发展,都与量子论密切相关。

量子论的神秘吸引着大批科学家投身其中,在量子论的影响下,物理学者们已经达成共识,认为物质是由基本粒子组成的,而对粒子与力的探寻,将能真正揭开宇宙的奥秘。为此,科学家们提出了许多理论假设,在物理学中有一份表单,囊括了那些人类梦寐以求的神秘粒子。发现马约拉纳费米子是继发现上帝粒子(希格斯波色子)、中微子、引力子之后的又一里程碑式发现,不仅具有重大的理论意义,而且具有重要的潜在应用价值:让量子计算成为现实。

助力量子计算

如果将量子计算机比喻成一架飞机,那么我们现在普通的计算机 充其量也就是辆自行车。马约拉纳费米子是新一代拓扑量子计算的基石,而量子计算可以颠覆传统电子计算机,因为它的计算速度和计算能力都比现在电子计算机强大得多。因此,不仅科技巨头,甚至国家之间都展开了对量子计算机的研究竞赛。目前,马约拉纳费米子是制造量子计算机的完美候选对象。

著名的光学双缝实验证明,量子世界呈现波粒二象性,粒子可以同时穿过两道缝隙——这显然与常识相违背,一个人不可能同时出现在上海和北京,但在量子世界,这是真实存在的现象。尽管科学家们尚无法解答这一疑问,但量子世界的特点却为计算机的发展提供了全新思路。由于量子世界本质上是并行的,一个量子粒子能够同时穿过两个狭缝,所以量子计算机能够进行高度并行的量子计算,这远比经典计算机有效。以算术问题为例,如果给出一个很大的数字,问这个数字能否被拆成两个数字的乘积,那么经典计算机只能用穷举法逐一尝试整除计算,而量子计算机可以在一瞬间同时完成所有可能项的测算。

然而,量子计算的实现面临一个非常大的挑战:一个量子比特(qbit)的信息非常难以存储,微弱的环境噪声就能够毁灭其量子特性。量子比特难以储存的原因来自量子纠缠的特性,量子纠缠被爱因斯坦称之为“鬼魅般的超距作用”,以电子的“自旋”为例,两个相互纠缠的电子对,当其中一个顺时针转时,另一个就逆时针转,量子纠缠可以预测相隔甚远的电子对的状态,即便它们一个在地球,一个在月球,之间没有传输线相连。如果 你在某个时刻观测到其中一个电子在顺时针旋转,那么另一个在同一时刻必定是在逆时针旋转。换句话说,如果你对其中一个粒子进行观测,那么你不只是影响了它,你的观测也同时影响了它所纠缠的伙伴,而且这与两个粒子间的距离无关。

马约拉纳费米子没有反粒子,或者说相当于半个传统粒子,这就提供了一种绝妙的可能性:一个量子比特能够被拆成两半,存储在两个距离十分遥远的马约拉纳费米子上。如此一来,传统的噪声极其难以同时以同样的方式影响这两个马约拉纳费米子,进而毁灭所存储的量子信息,使通常非常脆弱的量子比特储存方式变为稳固。

以马约拉纳费米子所构建的量子比特来进行信息的计算和存储,其信息量可以存储在两个分离的、独立的马约拉纳费米子中。要破坏它们所存储的信息必须同时对这两个粒子进行同样的干扰。这样的一个特性可以使拓扑量子计算和存储过程减少外界的干扰,存储更加稳定,计算也具有容错的特性。张首晟团队所提出的器件同时还是二维体系,从而使得有效的量子计算成为可能。

从基本科学发现到技术应用往往需要多年时间,但是科学家团队对于“天使粒子”巡游的量子天堂充满了兴奋与期待。拓扑量子计算能够解决当下人类遇到的最艰难的一些问题,从而迎来一个完美的世界。

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