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華人科學家宣布發現“天使粒子”
2017-07-21 14:01:25 來源: 新華社
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  新華社舊金山7月20日電(記者 馬丹)美國斯坦福大學華人科學家張首晟等人20日在美國《科學》雜志上報告説,他們首次發現了馬約拉納費米子存在的證據。這一重大發現解決了困擾量子物理學80年的難題,對量子計算也具有重要意義。

  正負、陰陽、善惡……這個世界倣佛充滿正反對立。英國物理學家保羅·狄拉克1928年預言,每一個基本粒子都有對應的反粒子。幾年後,科學家在宇宙射線中發現了電子的反粒子正電子,驗證了這一預言。1937年,意大利物理學家埃托雷·馬約拉納預言,自然界中可能存在一類特殊的粒子,它們的反粒子就是自身,這種正反同體的粒子被稱為馬約拉納費米子。

  不過,馬約拉納費米子存在的證據一直未被發現,它和中微子、希格斯—玻色子等一起,成為理論早有預言但長期無法驗證的粒子。如今,張首晟團隊終于找到了它存在的證據。

  張首晟把他們發現的馬約拉納費米子稱為“天使粒子”。根據愛因斯坦的質能轉換公式,當一個粒子遇上其反粒子就會發生湮滅,並釋放能量。美國驚悚片《天使與魔鬼》提到正反粒子湮滅爆炸的場景,將粒子與反粒子比喻天使與魔鬼。“而在我們發現的馬約拉納費米子的世界裏,只有天使,沒有魔鬼。”張首晟對新華社記者説。

  在尋找“天使粒子”的過程中,張首晟領導的理論團隊預言了通過怎樣的實驗平臺能夠找到馬約拉納費米子,哪些實驗信號能夠作為證據;加利福尼亞大學洛杉磯分校的何慶林、王康隆以及歐文分校的夏晶領導的實驗團隊與理論團隊密切合作,在實驗中發現了被稱為手性馬約拉納費米子的一類最基本馬約拉納費米子。中國的復旦大學和上海科技大學對實驗也有貢獻。

  按照理論團隊預言,研究人員搭建了一個將普通超導體薄膜置于量子反常霍爾效應薄膜(即磁性拓撲絕緣體)之上的混合器件。施加低強度外磁場後,研究人員測量到了半整數量子平臺,這成為手性馬約拉納費米子存在的實驗證據。

  張首晟解釋説,在以往的量子反常霍爾效應實驗中,隨著調節外磁場,會出現整數量子平臺。這是通常的粒子行為。馬約拉納費米子沒有反粒子,相當于半個傳統粒子,因此當把普通超導體置于量子反常霍爾效應薄膜之上時,在通常的整數量子平臺之外,會新出現半整數量子平臺。

  他説,發現馬約拉納費米子存在,對于建造穩定的量子計算機具有重要意義。

  量子計算機能夠進行高度並行的量子計算,效率遠超經典計算機,但環境噪聲是研發量子計算機的一大障礙。一個量子比特(量子計算的基本單位)的信息很難穩定存儲,微弱的環境噪聲就會破壞其量子特性。

  由于馬約拉納費米子相當于半個傳統粒子,一個量子比特可以拆成兩個費米子,這就提供了一個絕妙的可能性:一個量子比特的信息能夠儲存在兩個相距遙遠的馬約拉納費米子上。這樣,傳統的噪聲極難同時以同樣的方式影響這兩個馬約拉納費米子,也就很難同時毀滅它們所存儲的量子信息。

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【糾錯】 責任編輯: 聶晨靜
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