大自然對孤獨者的獎賞
——揭秘“天使粒子”發現的背后

文/王琳琳 周 琳

大自然對孤獨者的獎賞
——揭秘“天使粒子”發現的背后

文/王琳琳 周 琳

近日，美國《科學》雜志報告說，多位華人科學家領銜的團隊，首次發現了被稱為“天使粒子”的馬約拉那費米子的存在證據，破解了困擾物理學界整整80年的難題。

多位頂尖物理學家認為，“天使粒子”的出現讓科學家終于找到了絕佳的量子計算機材料，將大幅提升現有計算速度和效率，進而引發人工智能等行業的深刻變革，是一項里程碑式的發現。

“天使粒子”：正反同體，比量子還小

“天使粒子”：正反同體，比量子還小

“天使粒子”即馬約拉那費米子，是一個比已知最小物理單位量子還小的單位。

在物理學領域，構成物質的基本粒子有兩大家族，費米子和玻色子。過去，物理學家認為，每個費米子必然有其反粒子。唯獨一位名叫馬約拉那的物理學家認為，宇宙一定有“正反同體”的粒子存在。科學家將這種“正反同體”的粒子稱作馬約拉那費米子。

80年來，物理學家為找到這種“正反同體”的粒子展開了艱辛探索。2010年至2015年，中科院外籍院士、美國斯坦福大學與清華大學教授張首晟團隊發表了3篇論文，精準預言了用什么材料的器件、怎樣的實驗方案、如何測量能夠找到“正反同體”的粒子。而后，美國加利福尼亞大學洛杉磯分校、美國加利福尼亞大學戴維斯分校、美國加利福尼亞大學歐文分校和上海科技大學等實驗團隊依照張首晟的理論預測，成功發現了手性馬約拉那費米子。

張首晟將手性馬約拉那費米子命名為“天使粒子”。他說，這個靈感源于小說《天使與魔鬼》。“這部作品描述了正反粒子湮滅爆炸的場景。過去我們認為有粒子必有其反粒子，正如有天使必有魔鬼。但今天，我們找到了一個沒有反粒子的粒子，一個只有天使、沒有魔鬼的完美世界。”

發現：偶然中的驚喜，審稿審了一年

發現：偶然中的驚喜，審稿審了一年

在尋找“天使粒子”的過程中，張首晟坦言，從事基礎科學研究，他的內心是孤獨的。“有時一個新穎的想法，大家可能根本不理解。有時，道路眼看就要到終點了，突然發現整個都不對，這種心情是極為痛苦的。”

該實驗設計的主要貢獻人、美國加利福尼亞大學洛杉磯分校的王康隆也說，“天使粒子”的發現是“偶然中的驚喜”。“我們最初的設想是找到一種理想的拓撲絕緣體薄膜材料，因此累積生產了3000多片薄膜，但在實驗過程中，我們發現這套設計方案非常適合觀測‘天使粒子’，所以做了重新規劃。”

雖然張首晟團隊2015年就預言，如果在磁性拓撲絕緣體上面再疊加一個超導體，就會組成拓撲超導體，由此將找到“天使粒子”，但將磁性的拓撲絕緣體與超導體疊加并不簡單。

上海科技大學信息科學與技術學院助理教授寇煦豐說，磁性拓撲絕緣體和超導體這兩個材料會互相影響，要找到一個準確窗口，讓這兩個對抗的材料互不干擾非常難。最終，在美國加利福尼亞大學戴維斯分校和洛杉磯分校的共同努力下，合成了這種疊加器件。

王康隆（中）和研究團隊成員在位于加利福尼亞大學洛杉磯分校的實驗室（圖/科技日報）

經歷了一次次無功而返和對材料參數的不斷優化，王康隆團隊終于抓到了機遇窗口，在電學測量實驗中成功觀測到了張首晟團隊理論預言的“半整數量子臺階”，也是“天使粒子”存在的證據。

“第一次觀測到‘天使粒子’時驚喜而振奮，這是大自然對孤獨者的獎賞！”張首晟回憶，論文送審期間，他們還在不斷復盤，確保結論經得住檢驗。

王康隆說：“審稿人審了整整一年，他們每提出一個疑問，我們都會用30多頁紙回復。為此，我們增加了很多補充實驗。”

應用：讓拓撲量子計算機走出“紙面”

應用：讓拓撲量子計算機走出“紙面”

“天使粒子”的發現對構建拓撲量子計算機意義重大。世界上最快的超級計算機100年才能完成的計算量，拓撲量子計算機0.01秒就能完成。盡管計算效率驚人，但業界認為，量子計算距離真正應用至少要50年，因為科學家還沒找到合適的量子計算材料。

“天使粒子”的發現破解了這一難題。張首晟說，量子比特很不穩定，用它存儲信息，稍有一點干擾就會讓信息瞬間丟失。相反，“天使粒子”只有量子比特的一半，如果將兩個“天使粒子”放得遠一點，它們就會變得極其穩定，即便環境嘈雜，信息也不會丟失。

王康隆說，“天使粒子”的發現讓拓撲量子計算真正走向應用。“接下來，觀測并操控‘天使粒子’是實現拓撲量子計算最基礎的工作。我們將著力讓兩到三個‘天使粒子’織在一起，通過互相作用進行儲存和計算。”

此外，“天使粒子”還將推動人工智能實現“量子的跳躍”，“人工智能的核心是算法。如果依托量子計算機開展運算，人工智能就可以將以前多個步驟才能完成的計算簡化為一步，從而最快找到最優化解決途徑，這將引發各行業的深刻變革。”張首晟說。

啟示：傳統科學方法論應當變革

啟示：傳統科學方法論應當變革

在科技革命、產業革命加速變革的當下，有人說，原始創新難上加難。為何這一次華人科學家能在西方主導的基礎科學研究領域嶄露頭角？張首晟認為，這得益于跨界思維。

“拓撲是經典的數學概念，絕緣體是一種材料。通常，這兩個領域的科學家會在各自的領域內思考問題，采用窮舉法，把每種可能性都試一遍，效率很低。”張首晟說，采用跨界思維，他將數學與材料學融合，很快在理論上預言了找到理想材料的方法、條件和方案。

“理論預言接連被證實啟示我們，科學研究需要進入下一個認知階段，告別傳統的窮舉法，跨界可以加速科研成果的發現進程。在拓撲量子的領域，每一個材料、器件與效應都是最先由理論預言出來的。”張首晟說。（據新華社）※