神秘的馬略亞納準粒子，現(xiàn)在更接近于被量子計算控制！

2019-08-01 10:49 作者:博科園 0人讀過 | 我要投稿

馬略亞納粒子是物理學中最引人注目的研究課題之一，其神秘之處就像它的名字來源于一位意大利科學家。其名聲源于它奇特的特性（它是唯一一種自身是反粒子的粒子）以及它被用于未來量子計算的潛力。

近年來，包括普林斯頓大學一個團隊在內的一些研究小組報告稱，他們在各種材料中發(fā)現(xiàn)了馬略亞納準粒子，但挑戰(zhàn)在于如何利用它進行量子計算。

在2019年6月13日發(fā)表在《科學》上的一項新研究中，普林斯頓大學研究小組報告了一種控制馬約拉納準粒子的方法，這種方法也能使它們變得更強。這種結構（結合了超導體和一種叫做拓撲絕緣體的奇異材料）使得馬略亞納準粒子對來自外部環(huán)境的熱量或振動的破壞特別有彈性。更重要的是，該團隊展示了一種使用集成到設備中的小磁鐵打開或關閉馬略亞納準粒子的方法。物理學教授、該研究的資深作者阿里·亞扎尼說：

有了這項新研究，我們現(xiàn)在有了一種新方法來設計材料中的馬略亞納準粒子，可以通過成像來證實它們的存在，還可以描述它們的預測特性。馬略亞納準粒子是以物理學家埃托雷·馬略亞納(Ettore Majorana)的名字命名。1937年，馬略亞納預言了這種粒子的存在，而就在一年前，這種粒子在意大利海岸的一次渡輪旅行中神秘消失。物理學家保羅·狄拉克(Paul Dirac)在1928年預測電子一定有一個反粒子(后來被確定為正電子)，馬略亞納基于同樣的邏輯，從理論上推斷出了這種粒子的存在。

通常情況下，當物質和反物質聚集在一起時，它們會以猛烈的能量釋放相互湮滅，但當它們成對出現(xiàn)在特殊設計的導線兩端時，它們可以相對穩(wěn)定，并與環(huán)境弱相互作用。這對量子對能夠在兩個不同的位置存儲量子信息，使它們對干擾具有相對的魯棒性，因為要改變量子狀態(tài)，需要同時在量子線的兩端進行操作。這種能力吸引了技術人員，設想出一種方法來制造量子比特(量子計算的單位)，這種方法比目前的方法更加穩(wěn)定。

量子系統(tǒng)因其解決當今計算機無法解決的問題的潛力而備受贊譽，但它們需要維持一種被稱為疊加的脆弱狀態(tài)，如果這種狀態(tài)被破壞，可能會導致系統(tǒng)故障?；隈R略亞納準粒子的量子計算機將信息存儲在成對的粒子中，并通過相互編織來執(zhí)行計算。計算結果將由馬略亞納斯相互湮滅來決定，這可能導致一個電子的出現(xiàn)(通過它的電荷來探測)，也可能什么也沒有，這取決于這對馬略亞納準粒子如何編織。馬略亞納準粒子對湮滅的概率結果是它用于量子計算的基礎。

挑戰(zhàn)在于如何創(chuàng)造和輕松控制馬略亞納。它們可能存在的地方之一是位于超導床上單原子厚的磁性原子鏈末端。2014年Yazdani和合作者們在《科學》上發(fā)表了一篇報道，使用了掃描隧道顯微鏡(STM)，在掃描隧道顯微鏡中，一個尖端被拖過原子，以揭示準粒子的存在。在位于超導體表面的鐵原子鏈的兩端找到了馬略亞納準粒子。研究小組繼續(xù)探測馬略亞納準粒子的量子“自旋”，這是電子和其他亞原子粒子共有的特性。

在2017年發(fā)表在《科學》(Science)上的一篇報告中，該團隊表示，馬略亞納準粒子自旋特性是一個獨特的信號，可以用來確定被探測到的準粒子確實是馬略亞納準粒子。在這項最新研究中，研究小組探索了發(fā)現(xiàn)馬略亞納魚的另一個預測位置：當馬略亞納準粒子與超導體接觸時，在拓撲絕緣體邊緣形成的通道中。超導體是電子可以無阻力地運動的材料，拓撲絕緣體是電子只能沿邊緣流動的材料。該理論預測，馬略亞納準粒子可以在與一塊超導材料接觸的拓撲絕緣體薄片邊緣形成。

超導體的接近使電子沿著拓撲絕緣體邊緣自由流動，而拓撲絕緣體邊緣非常薄，可以把它看作是一根導線。由于馬略亞納準粒子形成在電線的末端，應該有可能使他們出現(xiàn)通過切斷電線。這是一個預測，而且這么多年來一直沒有改變，探索如何才能制造出這種結構，因為它有潛力讓馬略亞納準粒子對材料的缺陷和溫度更有抵抗力。研究小組在一塊鈮超導體上蒸發(fā)了一層薄薄的鉍拓撲絕緣體，建立了這種結構。將納米大小的磁存儲位放置在結構上，以提供一個磁場，使電子的流動脫離軌道，產(chǎn)生與切斷導線相同的效果，使用STM來可視化結構。

然而，當研究人員用顯微鏡尋找馬略亞納準粒子時，最初對自己所看到的感到困惑。有時看到馬馬略亞納準粒子出現(xiàn)，有時卻找不到。經(jīng)過進一步的探索，才認識到馬略亞納準粒子只有在小磁鐵沿通道向平行于電子流方向磁化時才會出現(xiàn)。當開始研究這些小磁鐵的特性時，科學家意識到它們是控制參數(shù)，鉆頭的磁化方向決定了馬略亞納是否出現(xiàn)，這是一個開關。在這個系統(tǒng)中形成的馬略亞納準粒子非常穩(wěn)定，因為它的能量與系統(tǒng)中可能存在的其他準粒子不同。魯棒性還源于其形成的拓撲邊緣模式，這是固有的抗破壞。