人民網北京7月21日電 （洪蔚琳、趙永新(xin)）物理(li)學(xue)迎來(lai)重大(da)突破(po)：由4位華人科(ke)(ke)學(xue)家領銜的(de)(de)科(ke)(ke)研(yan)團隊終于找到了(le)正反同體(ti)的(de)(de)“天使粒(li)(li)子”——馬約拉那費米子，從而結束了(le)國際物理(li)學(xue)界對這一神秘粒(li)(li)子長達80年(nian)的(de)(de)漫長追尋。

相(xiang)關論文發表在今(jin)天出版的《科學》雜志(zhi)上。該成果由加利(li)福(fu)尼亞大(da)學洛(luo)杉磯分校王(wang)康隆課題(ti)(ti)組和美國斯坦福(fu)大(da)學教授(shou)張首晟課題(ti)(ti)組、上海科技(ji)大(da)學寇煦(xu)豐(feng)課題(ti)(ti)組等多(duo)個團隊共同完成，通訊作者為何慶林、寇煦(xu)豐(feng)、張首晟、王(wang)康隆，均為華人科學家。

張首晟接受本網記者采訪。趙永新攝

諾貝(bei)爾獎獲得者Frank Wilczek評(ping)價這項(xiang)工作時(shi)說: 張首晟與(yu)團隊設計了全新的(de)體系, 并在(zai)實(shi)驗中清晰地測(ce)量到馬約(yue)拉那費米(mi)子，這真是一項(xiang)里程碑的(de)工作。

國際(ji)同(tong)行指出(chu)：發現(xian)馬約拉那費米子(zi)(zi)是繼發現(xian)“上帝”粒子(zi)(zi)（希格斯波(bo)色子(zi)(zi)）、中(zhong)微子(zi)(zi)、引力子(zi)(zi)之后的又一里程碑發現(xian)，不僅具(ju)有(you)重(zhong)大的理論意義，而且(qie)具(ju)有(you)重(zhong)要的潛在(zai)應用價值：讓量子(zi)(zi)計(ji)算成為現(xian)實(shi)。

“神(shen)秘的正反同(tong)體粒子，讓我們等了(le)80年”

在物(wu)(wu)理(li)學領域，構成物(wu)(wu)質(zhi)的(de)(de)最小(xiao)、最基(ji)(ji)本的(de)(de)單位被稱為“基(ji)(ji)本粒子(zi)”。它們是在不改變物(wu)(wu)質(zhi)屬性前提下的(de)(de)最小(xiao)體積(ji)物(wu)(wu)質(zhi)，也是組成各(ge)種各(ge)樣物(wu)(wu)體的(de)(de)基(ji)(ji)礎(chu)。基(ji)(ji)本粒子(zi)又分為兩(liang)種：費(fei)米子(zi)和(he)玻(bo)色(se)子(zi)，分別以美國物(wu)(wu)理(li)學家費(fei)米和(he)印(yin)度物(wu)(wu)理(li)學家玻(bo)色(se)的(de)(de)名字命(ming)名。

東(dong)方(fang)西(xi)方(fang)哲(zhe)學家(jia)都認為，人(ren)類似乎(hu)生(sheng)活在一個(ge)充(chong)滿正反對立(li)的(de)(de)(de)世(shi)界：有(you)(you)(you)正數(shu)(shu)必(bi)有(you)(you)(you)負數(shu)(shu)，有(you)(you)(you)存款必(bi)有(you)(you)(you)負債，有(you)(you)(you)陰必(bi)有(you)(you)(you)陽，有(you)(you)(you)善必(bi)有(you)(you)(you)惡，有(you)(you)(you)天使必(bi)有(you)(you)(you)惡魔。 1928年，偉大的(de)(de)(de)理論(lun)物理學家(jia)狄(di)拉克(Dirac)作(zuo)出驚人(ren)的(de)(de)(de)預言(yan)：宇宙中每(mei)一個(ge)基本費米粒子(zi)必(bi)然(ran)有(you)(you)(you)相對應的(de)(de)(de)反粒子(zi)。根據愛(ai)因斯坦E = mc2的(de)(de)(de)質能公式，當(dang)一個(ge)費米子(zi)遇上它的(de)(de)(de)反粒子(zi)，它們會相互(hu)湮滅，從而使兩個(ge)粒子(zi)的(de)(de)(de)質量消失并轉(zhuan)化為能量。

從此以(yi)后，宇宙(zhou)中(zhong)有(you)粒(li)子必有(you)其反(fan)(fan)粒(li)子被認為(wei)是絕對(dui)真(zhen)理。然而(er)，會不(bu)會存在(zai)一(yi)類沒有(you)反(fan)(fan)粒(li)子的(de)粒(li)子，或者說正反(fan)(fan)同(tong)體的(de)粒(li)子？1937年，意大利理論(lun)物(wu)理學家(jia)埃(ai)托雷?馬約(yue)拉那(nei)（Ettore Majorana）在(zai)他(ta)的(de)論(lun)文中(zhong)猜測有(you)這(zhe)樣神奇的(de)粒(li)子存在(zai)，即我們今(jin)天所稱的(de)馬約(yue)拉那(nei)費米(mi)子。不(bu)幸的(de)是，他(ta)本(ben)人做出這(zhe)一(yi)猜測后在(zai)一(yi)次乘船旅(lv)行中(zhong)神秘失蹤。自此以(yi)后，尋找這(zhe)一(yi)神奇粒(li)子成為(wei)了物(wu)理學家(jia)門(men)夢寐以(yi)求的(de)探索目標。

意大利理論物理學家埃托雷·馬約拉那

科學(xue)家(jia)們認為，在粒(li)子物(wu)理(li)中，標準模(mo)型范疇之(zhi)外(wai)的(de)中微子可能是馬約拉那費米子。而(er)要(yao)驗(yan)證這一猜想，需要(yao)進(jin)行(xing)無中微子的(de)beta雙(shuang)衰變實驗(yan)。可惜的(de)是，這項實驗(yan)所要(yao)求的(de)精度(du)在今后的(de)10年到20年以內都難(nan)以達到。

張首(shou)晟把(ba)突(tu)破口(kou)轉向(xiang)凝聚(ju)態物理。從(cong)2010年到(dao)2015年，張首(shou)晟團隊連續(xu)發表(biao)三篇論文(wen)，精準預(yu)言了(le)(le)實(shi)(shi)現馬(ma)(ma)約拉(la)那費(fei)米(mi)子的(de)體系及(ji)用以驗證的(de)實(shi)(shi)驗方(fang)案。王康隆等實(shi)(shi)驗團隊依(yi)照張首(shou)晟的(de)理論預(yu)測，成(cheng)功發現了(le)(le)手性馬(ma)(ma)約拉(la)那費(fei)米(mi)子，為(wei)持續(xu)了(le)(le)整(zheng)整(zheng)80年的(de)科學探(tan)索畫上了(le)(le)圓滿(man)的(de)句號。

張(zhang)首晟將(jiang)這一新發現的手(shou)性(xing)馬約拉那費(fei)米子(zi)(zi)命名(ming)為“天(tian)使粒子(zi)(zi)”，這個(ge)(ge)(ge)名(ming)字來源于丹(dan)?布朗的小說及(ji)其電(dian)影《天(tian)使與魔鬼(gui)(gui)》。“這部作品(pin)描(miao)述了(le)(le)正反粒子(zi)(zi)湮滅爆炸的場景。過(guo)去(qu)我們(men)認(ren)為有(you)粒子(zi)(zi)必(bi)有(you)其反粒子(zi)(zi)，正如有(you)天(tian)使必(bi)有(you)魔鬼(gui)(gui)。但今天(tian)，我們(men)找(zhao)到了(le)(le)一個(ge)(ge)(ge)沒有(you)反粒子(zi)(zi)的粒子(zi)(zi)，一個(ge)(ge)(ge)只有(you)天(tian)使，沒有(you)魔鬼(gui)(gui)的完美世界。”張(zhang)首晟說。

電影《天使與魔鬼》海報。

“今天(tian)的成果，是(shi)建立(li)在發現量子反常霍爾(er)效應(ying)的基礎上”

困擾了物理學(xue)界(jie)80年(nian)的(de)難(nan)題是(shi)怎樣(yang)被破解的(de)？張首(shou)晟認為，任何科研(yan)工作(zuo)都(dou)是(shi)建立在已有成果的(de)基礎上(shang)。天使粒子(zi)的(de)發(fa)現，得益于先前(qian)對(dui)量子(zi)反常(chang)霍爾效應的(de)探索，也(ye)是(shi)理論和實驗結合的(de)成果。

最初，張首晟(sheng)按常理做了一項(xiang)推斷：既然(ran)馬(ma)約拉那費米子(zi)只有粒子(zi)、沒有反粒子(zi)，那么它(ta)就相(xiang)當(dang)于傳統(tong)粒子(zi)的(de)一半(ban)。他很快意識到，“一半(ban)”的(de)概念就是解決問題的(de)關(guan)鍵。

早在2008年(nian)，張首(shou)晟理論(lun)就預(yu)言了量(liang)(liang)子(zi)反常霍爾效應(ying)，這一預(yu)言在2013年(nian)被清(qing)華大(da)學(xue)教授薛(xue)其坤領銜的(de)清(qing)華大(da)學(xue)物理系和中(zhong)科院物理研究所聯合組成的(de)實(shi)驗團隊證實(shi)。在實(shi)驗中(zhong)，隨著(zhu)(zhu)調節外磁場，反常量(liang)(liang)子(zi)霍爾效應(ying)薄(bo)膜呈現出量(liang)(liang)子(zi)平臺(tai)，對應(ying)著(zhu)(zhu)1、0、-1倍(bei)基(ji)本電阻(zu)(zu)單位e2/ h。也(ye)就是說，量(liang)(liang)子(zi)世界里的(de)電阻(zu)(zu)是量(liang)(liang)子(zi)化(hua)的(de)，它只(zhi)能整數倍(bei)地跳(tiao)臺(tai)階。

這給了張(zhang)首晟一(yi)個靈感：馬約拉(la)(la)那費(fei)米子(zi)是通(tong)常(chang)粒子(zi)的(de)(de)一(yi)半，既(ji)然(ran)通(tong)常(chang)的(de)(de)粒子(zi)按(an)整數跳(tiao)，馬約拉(la)(la)那費(fei)米子(zi)或許就是按(an)半整數跳(tiao)——它一(yi)定(ding)會呈現出一(yi)個奇特(te)的(de)(de)、“1/2的(de)(de)臺(tai)階”。由(you)此(ci)，他(ta)預(yu)言手(shou)性(xing)馬約拉(la)(la)那費(fei)米子(zi)存(cun)在于一(yi)種由(you)量子(zi)反(fan)常(chang)霍爾效(xiao)應(ying)(ying)薄(bo)膜(mo)和(he)普通(tong)超導體(ti)薄(bo)膜(mo)組成的(de)(de)混合器件中。當把普通(tong)超導體(ti)置于反(fan)常(chang)量子(zi)霍爾效(xiao)應(ying)(ying)薄(bo)膜(mo)之上時，臨近效(xiao)應(ying)(ying)使(shi)之能(neng)夠實(shi)現手(shou)性(xing)馬約拉(la)(la)那費(fei)米子(zi)，相應(ying)(ying)的(de)(de)實(shi)驗中會多(duo)出全新的(de)(de)量子(zi)平(ping)臺(tai)，對(dui)應(ying)(ying) 1/2 倍(bei)基本電阻單(dan)位e2/ h。

張首晟團隊提出的搜尋馬約拉那費米子的實驗平臺：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。

在后續的(de)實(shi)驗(yan)驗(yan)證(zheng)中，激動人(ren)心(xin)的(de)成果出現了(le)：王(wang)康隆等實(shi)驗(yan)團隊(dui)確實(shi)看到了(le)“1/2的(de)臺階(jie)”。這半(ban)個基本電阻來(lai)源于馬(ma)約(yue)拉(la)那(nei)費米子作為半(ban)個傳(chuan)統粒子的(de)特殊性(xing)質，因(yin)此，多出來(lai)的(de)半(ban)整數(shu)量子平臺為手(shou)性(xing)馬(ma)約(yue)拉(la)那(nei)費米子的(de)存在提供(gong)了(le)有力的(de)印證(zheng)。

何慶林、王康隆實驗團隊和夏晶實驗團隊在與張首晟理論團隊合作下所測量到的與理論預測符合的半量子電導平臺，這為馬約拉那費米子的發現提供了直接而有力的實驗證據。

“天使粒子帶來的量子計算時(shi)代，讓我(wo)充滿興奮和期待”

找到(dao)天(tian)使粒(li)子(zi)有(you)什么現實意義？張(zhang)首晟指出，從基本科(ke)學發現到(dao)技術應用往(wang)往(wang)需要多(duo)年時(shi)間，但天(tian)使粒(li)子(zi)的發現意味著量子(zi)計(ji)算(suan)已成為(wei)可能。

他(ta)解釋說，量子(zi)世界本質上是平行(xing)的(de)，一(yi)(yi)個量子(zi)粒子(zi)能(neng)夠(gou)同(tong)時(shi)穿過兩個狹縫。因此，量子(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)機(ji)能(neng)夠(gou)進行(xing)高度并行(xing)的(de)計(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)，遠比經(jing)典計(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)機(ji)有效。以算(suan)(suan)(suan)術問(wen)題為例，如果給出(chu)一(yi)(yi)個很大的(de)數(shu)(shu)字，問(wen)這個數(shu)(shu)字能(neng)否拆成兩個數(shu)(shu)字的(de)乘積，那(nei)么經(jing)典計(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)機(ji)只能(neng)用窮(qiong)舉法逐(zhu)一(yi)(yi)嘗試整(zheng)除計(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)，而(er)量子(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)機(ji)可以在一(yi)(yi)瞬間同(tong)時(shi)完成所有可能(neng)項的(de)測算(suan)(suan)(suan)。

一個量子粒子能夠同時穿過兩個狹縫。

然而，一個量子比特的信息非(fei)常難以存(cun)儲，微弱的環境噪聲就(jiu)能毀滅(mie)其量子特性(xing)。因此(ci)，量子計算(suan)機往往被視為可望不可即的空想。

“通常情況(kuang)下，量(liang)(liang)子比特只能放(fang)在(zai)一個傳統粒(li)子內儲存(cun)，容易被(bei)干(gan)擾。但如今(jin)，天使(shi)粒(li)子的(de)(de)(de)發現提供了(le)一種絕妙的(de)(de)(de)可能性：一個量(liang)(liang)子比特能夠被(bei)拆成兩半(ban)，存(cun)儲在(zai)兩個距(ju)離(li)十分遙遠的(de)(de)(de)馬約拉(la)那(nei)費米(mi)子上。”張首晟說(shuo)，如此一來，傳統的(de)(de)(de)噪(zao)聲很難同時以同樣(yang)的(de)(de)(de)方(fang)式(shi)影響這(zhe)兩個馬約拉(la)那(nei)費米(mi)子、進而(er)毀滅所存(cun)儲的(de)(de)(de)量(liang)(liang)子信息(xi)。“相較于傳統的(de)(de)(de)存(cun)儲方(fang)式(shi)，基于天使(shi)粒(li)子的(de)(de)(de)存(cun)儲方(fang)式(shi)極(ji)其穩固。”

“我們提出的(de)器(qi)件同時還是二(er)維(wei)體(ti)系，從而(er)允許馬約拉(la)那(nei)費米子的(de)糾纏和編辮，使得有(you)效的(de)量(liang)子計算成為(wei)可能，從而(er)解決人類面對(dui)的(de)一些艱難問題。”張首晟說，“我對(dui)天使粒子巡游的(de)量(liang)子天堂充滿(man)興奮(fen)與期待。”

來(lai)源(yuan)：人民網 記者：洪蔚琳、趙(zhao)永新