中國(guó)科學(xué)家重大發(fā)現(xiàn)，或成為拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)“敲門(mén)磚”
編者按
8月17日凌晨，國(guó)際頂級(jí)期刊《科學(xué)》（Science）發(fā)表了中科院物理所丁洪-高鴻鈞共同領(lǐng)導(dǎo)的合作團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)研究成果[1]：他們首次在鐵基超導(dǎo)材料中發(fā)現(xiàn)了馬約拉納束縛態(tài)（或稱(chēng)為零能模）。
用丁洪的話(huà)講：“此次工作不僅在較高溫度、較高純度的情況下實(shí)現(xiàn)了對(duì)馬約拉納零能模的直接觀測(cè)，更在鐵基超導(dǎo)的拓?fù)漕I(lǐng)域開(kāi)了‘一扇門(mén)’，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)“編織量子比特”，進(jìn)而制造拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?！?/span>
那么，“馬約拉納零能?！边@個(gè)拗口的名詞又與時(shí)下火爆的量子計(jì)算機(jī)有哪些關(guān)系呢？筆者盡量用“門(mén)檻低”的話(huà)給您娓娓道來(lái)。
撰文 | 呂浩然
責(zé)編 | 李曉明
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摩爾定律——“天花板”的束縛
經(jīng)過(guò)七十余年的發(fā)展，現(xiàn)今的計(jì)算機(jī)與最早的ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer）[2]相比已經(jīng)有了質(zhì)的飛躍。ENIAC這個(gè)重達(dá)27噸、每秒運(yùn)算5000次（加減運(yùn)算）的大家伙注定會(huì)成為歷史，但卻不影響它在計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程中“第一”的地位。
隨著晶體管、集成電路等硬件技術(shù)的發(fā)展以及軟件、算法的不斷革新，計(jì)算機(jī)體積變得越來(lái)越小，功能越來(lái)越強(qiáng)大，但如今也面臨著一個(gè)叫做“摩爾定律”[3]的“天花板”。摩爾定律曾預(yù)言：當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。
這個(gè)由Intel創(chuàng)始人之一Gordon Moore提出來(lái)的定律在計(jì)算機(jī)技術(shù)大肆發(fā)展的年代還適用，但隨著硅基晶體管集成電路逐漸接近性能極限，這條定律也幾乎壓得人們喘不過(guò)氣來(lái)。那么，后“摩爾定律”時(shí)代，計(jì)算機(jī)應(yīng)向哪個(gè)方向走？
有人從材料入手：硅基材料接近了性能極限，那就從同樣豐富且廉價(jià)，還能規(guī)避硅基材料缺點(diǎn)的其他材料入手，例如碳基材料。
還有人從計(jì)算系統(tǒng)入手：現(xiàn)今的數(shù)字計(jì)算機(jī)采用的都是二進(jìn)制系統(tǒng)，即0或1，一個(gè)0/1即信息量的最小度量單位，稱(chēng)為1比特（BIT），我們通常衡量一個(gè)數(shù)字文件大小所用到的是B（Byte），即字節(jié)（1 GB = 1024 MB = 10242 KB = 10243 B），1字節(jié)等于8比特。
而量子計(jì)算機(jī)卻與數(shù)字計(jì)算機(jī)不同，或者通俗地說(shuō)，量子計(jì)算機(jī)中的量子比特（qubit）不僅能夠表示0或1，甚至還包括了0與1之間的數(shù)字，這也大大提高了其運(yùn)算能力！
因此，量子計(jì)算機(jī)成為了下一代計(jì)算機(jī)的一大熱門(mén)，而其中制備穩(wěn)定的量子比特就成了關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。
馬約拉納零能模——承載量子比特的“熱門(mén)候選”
沒(méi)有量子比特的量子計(jì)算機(jī)無(wú)異于一幅空殼。2000年，IBM的科學(xué)家David DiVincenzo提出了建造量子計(jì)算機(jī)的五個(gè)要求和兩個(gè)輔助條件，為未來(lái)具有實(shí)用價(jià)值的量子計(jì)算機(jī)畫(huà)出了藍(lán)圖，而其中的第一個(gè)要求，就是“一個(gè)能表征量子比特并可擴(kuò)展的物理系統(tǒng)”[4,5]，也就是說(shuō)，要找到合適的材料或系統(tǒng)去承載量子比特成了量子計(jì)算機(jī)的敲門(mén)磚。
現(xiàn)今制備量子比特的方法有很多，離子阱、超導(dǎo)電路、金剛石色心、半導(dǎo)體量子點(diǎn)等等，皆有可能[5]。但這些方法都或多或少有一些困難需要克服。其中，只存在于固體材料中的馬約拉納零能模，系一種存在于拓?fù)涑瑢?dǎo)體中奇異的準(zhǔn)粒子激發(fā)，服從非阿貝爾統(tǒng)計(jì)（簡(jiǎn)單地說(shuō)就是“先交換1、2再交換2、3”與“先交換2、3再交換1、2”的操作不等價(jià)），可用于構(gòu)建拓?fù)淞孔颖忍亍?/p>
而與傳統(tǒng)的量子比特相比，拓?fù)淞孔颖忍赜神R約拉納零能模編織操作的時(shí)間線(xiàn)紐結(jié)決定，對(duì)外界局域的擾動(dòng)不敏感。因此具有豐富的潛在應(yīng)用價(jià)值，可以用來(lái)構(gòu)筑高容錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)[6]。
為量子計(jì)算提供一個(gè)新的平臺(tái)
然而，找到馬約拉納零能模卻并容易。
1937年，意大利物理學(xué)家馬約拉納（Ettore Majorana）預(yù)言了一種神奇的基本粒子——馬約拉納費(fèi)米子，它的神奇之處在于，馬約拉納費(fèi)米子的反粒子就是它本身。然而，八十余年過(guò)去了，在真實(shí)的世界中，馬約拉納費(fèi)米子的身影仍未被捕獲（這仍有待高能實(shí)驗(yàn)物理去發(fā)現(xiàn)）。
?Ettore Majorana，圖片來(lái)源：Wikipedia
而在凝聚態(tài)物理中，科學(xué)家們卻在一大類(lèi)材料——拓?fù)涑瑢?dǎo)體中（準(zhǔn)確地說(shuō)是在破缺時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性的本征P波超導(dǎo)體中）發(fā)現(xiàn)了具有馬約拉納費(fèi)米子性質(zhì)的準(zhǔn)粒子，然而，破缺時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性的本征P波超導(dǎo)體在自然中卻十分稀有（純度要求非常高，且對(duì)雜質(zhì)非常敏感）。
2008年，麻省理工學(xué)院理論物理學(xué)家傅亮和Charles Kane首次提出通過(guò)超導(dǎo)近鄰效應(yīng)制備等效的P波超導(dǎo)異質(zhì)節(jié)材料[7]。這個(gè)革命性的理論設(shè)想一經(jīng)發(fā)表，便開(kāi)啟了一場(chǎng)在“人工p波超導(dǎo)”異質(zhì)節(jié)中尋找馬約拉納零能模的國(guó)際競(jìng)賽。
而在這場(chǎng)競(jìng)賽中，不乏華人的身影。
2016年6月22日，上海交通大學(xué)賈金鋒研究團(tuán)隊(duì)率先觀測(cè)到了在拓?fù)浣^緣體/超導(dǎo)體異質(zhì)節(jié)的磁渦旋中存在馬約拉納零能模的重要證據(jù)，該成果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上。
2017年7月21日，《科學(xué)》（Science）在線(xiàn)發(fā)表了由美國(guó)加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校王康隆課題組主導(dǎo)，斯坦福大學(xué)張守晟課題組及上?？萍即髮W(xué)寇煦豐課題組等8家單位合作完成的一項(xiàng)研究成果——首次在磁性拓?fù)浣^緣體薄膜與超導(dǎo)體結(jié)合的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了一維手性馬約拉納費(fèi)米子存在的證據(jù)[8]。
而在2018年3月9日，《科學(xué)》（Science）雜志在線(xiàn)發(fā)表了丁洪課題組與東京大學(xué)固體材料研究所、普林斯頓大學(xué)、布魯克海文實(shí)驗(yàn)室、南京大學(xué)等合作團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)研究[9]，研究人員在鐵基超導(dǎo)體FeTe0.55Se0.45（鐵碲0.55硒0.45）中發(fā)現(xiàn)了拓?fù)涑瑢?dǎo)性[10]。
中國(guó)科學(xué)院大學(xué)卡弗里理論科學(xué)研究所所長(zhǎng)張富春也就丁洪-高鴻鈞聯(lián)合團(tuán)隊(duì)取得的最新研究成果向《知識(shí)分子》評(píng)論道：“鐵基超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度高、超導(dǎo)能隙大，其產(chǎn)生的馬約納拉零能模不易‘量子中毒’。丁洪等人的這一發(fā)現(xiàn)為量子計(jì)算的探索提供了一個(gè)全新的平臺(tái)。”
因此，此次丁洪-高鴻鈞聯(lián)合團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)的在鐵基超導(dǎo)中對(duì)馬約拉納零能模的大量直接觀測(cè)則更像是“在自家門(mén)扉前欣賞美景”。
眾里尋“馬”千百度
“其實(shí)，門(mén)并不是那么好開(kāi)的，還得你認(rèn)準(zhǔn)了方向才成?！睂?duì)于此次的研究歷程，丁洪告訴《知識(shí)分子》，“千百次的觀測(cè)可能會(huì)得到我們想要的結(jié)果，也可能會(huì)什么都得不到。幸運(yùn)地是，我們最后還是找到了！”
據(jù)丁洪介紹，其實(shí)他們并不是在鐵基超導(dǎo)體看到零能峰的第一人，美國(guó)康奈爾大學(xué)的J. C. Séamus Davis在實(shí)驗(yàn)中看到過(guò)零能峰，“Davis他們幾乎早了我們一年，但是他們卻不相信鐵基超導(dǎo)中能夠有馬約拉納零能模，沒(méi)有繼續(xù)深入地做下去。而我們則堅(jiān)信鐵基超導(dǎo)材料中可以觀測(cè)到馬約拉納零能模，結(jié)果我們確實(shí)找到了它存在的大量實(shí)驗(yàn)證據(jù)”。
這聽(tīng)起來(lái)更像是一句“信則有之”的禪語(yǔ)，但此次發(fā)現(xiàn)的歷程卻并無(wú)多少禪意，而是一步一步、腳踏實(shí)地的推進(jìn)。丁洪研究組先后與中科院物理所方忠、戴希研究組以及日本東京大學(xué)Shin研究組、麻省理工學(xué)院傅亮教授、美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室顧根大教授的前期合作，皆是實(shí)打?qū)嵉姆e累?！斑@次的研究要求實(shí)驗(yàn)的樣品純度非常高，顧根大教授在Fe(Se,Te)高質(zhì)量單晶生長(zhǎng)上具有深厚的造詣，為研究團(tuán)隊(duì)提供了高質(zhì)量的單晶。”丁洪補(bǔ)充道。
據(jù)丁洪回憶，去年（2017年）4月份，當(dāng)高質(zhì)量能帶測(cè)量結(jié)果剛剛完成之時(shí)，他就找到了物理所的同事高鴻鈞院士，商討對(duì)直接測(cè)量馬約拉納束縛態(tài)展開(kāi)合作?！案啉欌x院士課題組具有十分強(qiáng)大的儀器裝備，在實(shí)驗(yàn)測(cè)量上有著厚重的經(jīng)驗(yàn)積累。這使得研究團(tuán)隊(duì)可以同時(shí)使用兩臺(tái)He-3極低溫強(qiáng)磁場(chǎng)的掃描隧道顯微鏡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?！倍『楦袊@，“這樣優(yōu)異的條件為國(guó)內(nèi)外很多同行所羨慕?！?/p>
然而即便是一切都具備了，前幾次的觀測(cè)卻仍未找到馬約拉納零能模，“前面多次的觀測(cè)皆未找到，直到更換到第13個(gè)樣品時(shí)，我們才觀測(cè)到了目標(biāo)現(xiàn)象?！倍『楸硎?，“我們已經(jīng)排除了可能產(chǎn)生干擾的因素，理論上也為觀測(cè)到馬約拉納零能模提供了充分條件，那么一旦觀測(cè)到了，這就是對(duì)馬約拉納零能模的直接觀測(cè)。”
而對(duì)于未來(lái)實(shí)現(xiàn)量子拓?fù)溆?jì)算機(jī)，丁洪則顯得樂(lè)觀而謹(jǐn)慎，“我們的工作只是在鐵基超導(dǎo)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)純的馬約拉納零能模的直接觀測(cè)，同時(shí)，觀測(cè)的溫度比較高，可能實(shí)現(xiàn)在液氦溫度下對(duì)馬約拉納零能模的調(diào)控，這些都在為拓?fù)淞孔铀銠C(jī)打基礎(chǔ)，同時(shí)開(kāi)辟了鐵基超導(dǎo)這條新的路徑，這都證明了它的研究?jī)r(jià)值?！?img class="" src="http://pic.zhishifenzi.com/p/lx/zsfz1534433411.9076015.png"/>
針對(duì)此次研究，2003諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主Anthony J. Leggett、斯坦福大學(xué)張首晟教授、麻省理工學(xué)院文小剛教授皆提供了書(shū)面評(píng)價(jià)（丁洪提供）：
Anthony J. Leggett:
Your experiment is that it is cleaner than many previous ones, and I believe the first plausible claim of evidence for Majoranas in a bulk superconductor; if your identification of the ZBP as a Majorana is correct, this may make the attainment of braiding considerably easier. While I would not regard this identification as necessarily unique, I think your characterization of it as the "most probable" of the available explanations is not unreasonable.
（譯：我認(rèn)為你們的實(shí)驗(yàn)比許多以前的實(shí)驗(yàn)更清晰，我相信它是第一個(gè)可信的證明體超導(dǎo)體中擁有馬約那納粒子的證據(jù)；如果這個(gè)零能峰是馬約那納的前提是正確的話(huà)，這可能會(huì)使實(shí)現(xiàn)編織容易得多。雖然我不認(rèn)為這種鑒定一定是獨(dú)一無(wú)二的，但我認(rèn)為你們結(jié)論是現(xiàn)有解釋中“最有可能”的說(shuō)法是合理的。）
張首晟：
一年前我們宣布了“天使粒子”的發(fā)現(xiàn)，完成了整整八十年對(duì)神秘的Majorana費(fèi)米子的尋找。但是我們的體系有不足之處，實(shí)驗(yàn)體系是由常規(guī)超導(dǎo)體與量子反常拓?fù)浣^緣體構(gòu)成的混合器件，另外現(xiàn)象是在超低溫的極端條件下才出現(xiàn)的。
今天丁洪和高鴻鈞教授共同領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)小組宣布了振奮人心的新發(fā)現(xiàn)，發(fā)表在著名的《科學(xué)》雜志上。在2016年我的理論小組預(yù)言了鐵基超導(dǎo)體Fe(Se,Te)系統(tǒng)有拓?fù)浔砻鎽B(tài)，當(dāng)體內(nèi)進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)后表面會(huì)進(jìn)入拓?fù)涑瑢?dǎo)態(tài)，在磁渦中存在Majorana零能模。
丁洪教授是世界級(jí)的杰出實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，對(duì)超導(dǎo)領(lǐng)域的研究做出了杰出的貢獻(xiàn)。在今天發(fā)表的工作中，他們的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了我們的理論預(yù)言，用STM的實(shí)驗(yàn)手段觀察到了Fe(Se,Te)拓?fù)浔砻鎽B(tài)磁渦中的Majorana零能模。
這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)科學(xué)意義十分重大，大大推動(dòng)了鐵基超導(dǎo)的研究與馬約拉納費(fèi)米子的研究。Fe(Se,Te)是一個(gè)本征系統(tǒng)，許多物理性質(zhì)優(yōu)于混合系統(tǒng)，效應(yīng)存在的溫度較高，不需要極端的超低溫條件。Majorana費(fèi)米子可用于拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)，能用量子平行的原理秒算許多數(shù)學(xué)難題。常規(guī)量子計(jì)算中一個(gè)有用的量子比特需要10～100個(gè)糾錯(cuò)比特為其服務(wù)，而拓?fù)淞孔颖忍刈詭Ъm錯(cuò)能力，有更好的拓展與魯棒性能。
基于以上的優(yōu)點(diǎn)，我認(rèn)為這次理論與實(shí)驗(yàn)緊密合作的科學(xué)發(fā)現(xiàn)是有重大而深遠(yuǎn)的科學(xué)意義的。
文小剛：
鐵基超導(dǎo)體，是第二類(lèi)高溫超導(dǎo)體。中國(guó)科學(xué)家，包括丁洪團(tuán)隊(duì)，在這一領(lǐng)域中，取得了世界范圍內(nèi)的主導(dǎo)地位，發(fā)現(xiàn)了很多新的鐵基超導(dǎo)材料，和各種有趣的物理性質(zhì)。最近丁洪-高鴻鈞團(tuán)隊(duì)及合作團(tuán)隊(duì)在一種鐵基超導(dǎo)材料中，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)更有意思的現(xiàn)象：他們觀察到馬約拉那零模的特征信號(hào)。這使鐵基超導(dǎo)材料有可能應(yīng)用于構(gòu)建，對(duì)環(huán)境干擾免疫的拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)。
馬約拉那零模是粒子的一個(gè)性質(zhì)。有這個(gè)性質(zhì)的粒子具有非阿貝爾統(tǒng)計(jì)（是波色統(tǒng)計(jì)費(fèi)米統(tǒng)計(jì)的推廣）。這種粒子的最奇妙之處，就是它帶有分?jǐn)?shù)自由度，如半個(gè)量子比特。交換這種粒子就可以實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑?jì)算。
非阿貝爾粒子早在1991年就在理論上被提出，可以存在于一些二維拓?fù)湫虿牧现小?999又被指出可能存在于二維p波超導(dǎo)材料中。由于它是一種全新的粒子，也由于它在拓?fù)淞孔佑?jì)算中的重要性，多年來(lái)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家一直在瘋狂的搜尋它在真實(shí)材料中蹤跡。這次在鐵基超導(dǎo)材料表面觀察到馬約拉那零模的特征信號(hào)，有很高的穩(wěn)定度。是一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)。
參考文獻(xiàn)：
[1] 此次文章鏈接
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/ENIAC
[3] https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%91%A9%E5%B0%94%E5%AE%9A%E5%BE%8B
[4] https://arxiv.org/abs/quant-ph/0002077
[5] https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAwMzc2MTA4Ng==&mid=2247488299&idx=1&sn=0a21d3d0a0916bf6b6e6842ed5353648&source=41#wechat_redirect
[6] https://mp.weixin.qq.com/s?src=11×tamp=1534085615&ver=1056&signature=kYuz2*kOaK81G8FgqC9yLzgbz1rvWJUbDNoYJpDnO3*n*2fjEgZL1tv1SUn-uGIHkI4gSoteo22RdWRwuVCT8uwYo9AtrMmKayByMU3WQtcbmSdNFW0HyGTZs5WRRZiz&new=1
[7] L. Fu, C. L. Kane, Superconducting proximity effect and majorana fermions at the surface of a topological insulator. Phys. Rev. Lett. 100, 096407 (2008). Medline doi:10.1103/PhysRevLett.100.096407
[8] Qing Lin He, Lei Pan, et al. & Kang L. Wang, Chiral Majorana fermion modes in a quantum anomalous Hall insulator–superconductor structure, Science. 21 JULY 2017, VOL 357 ISSUE 6348.
[9] Peng Zhang, et al. & Hong Ding, Shik Shin, Observation of topological superconductivity on the surface of an iron-based superconductor, Science, 13 Apr 2018. DOI: 10.1126/science.aan4596
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