探索神秘的“天使粒子”

張首晟

探索神秘的“天使粒子”

張首晟

“天使粒子”被發現后，各大媒體爭相報道，甚至有誤傳說它就是“準粒子”。事實上，就連科研團隊本身，都未曾聲稱找到 “馬約拉納費米子”，而是將之稱為“馬約拉納費米子模”，一字之差，大有文章。以下援引張首晟教授發表在2017年07月27日《 人民日報 》22版上的署名文章，以正視聽。

我們所探求的方程式就是大自然的詩歌。這是一首很美的詩。當我們遇到這些濃縮精粹的結構時，我們就會有美的感受……當實驗數據、自然現象等等客觀因素與科學家的主觀情感在一個更高層次上達到和諧統一的時候，科學就和藝術一樣獲得了美感。

——引自于《科學中國人》雜志對張首晟教授的采訪，詳見2012年第24期。

我們似乎生活在一個充滿正反對立的世界：有正數必有負數，有存款必有負債，有陰必有陽，有天使也有惡魔。宇宙的最小物質組成部分——基本粒子也是一樣。1928年，英國理論物理學家狄拉克曾做出驚人的預言：宇宙中每一個基本粒子必然有其相對應的反粒子。

幾年后，科學家在宇宙射線中發現與電子相反的正電子，驗證了這一預言。根據愛因斯坦E=mc的質能公式，當一個粒子遇上它的反粒子時，它們會相互湮滅從而釋放出巨大能量。丹·布朗的小說及其電影《天使與魔鬼》，就描述過這樣的正反粒子湮滅爆炸的場景。

自此，宇宙中有粒子必有其反粒子，被認為是永恒不變的真理。但是，宇宙中會不會還存在著這樣一類粒子：它們沒有反粒子，或者說其自身就是自己的反粒子？1937年，意大利理論物理學家埃托雷·馬約拉納猜測，這種神奇的粒子可能存在，這也就是我們今天所稱的馬約拉納費米子。此后，諸多物理學家將尋找這種粒子奉為物理學研究的一項崇高目標。物理學中有一份表單，囊括了人類夢寐以求的神秘粒子，其中就包括馬約拉納費米子。

2010至2015年間，筆者與團隊曾預測了找到馬約拉納費米子的途徑，并指出哪些實驗信號能夠作為證據。根據理論預測，筆者的團隊與來自加利福尼亞大學的其他3個實驗團隊合作，最終發現了手性（一維空間單向運動）馬約拉納費米子。類比丹·布朗所描述的正反粒子湮滅爆炸的小說《天使與魔鬼》，筆者提出將新發現的手性馬約拉納費米子稱為“天使粒子”。這一發現已發表在近期的《科學》雜志上。

“天使粒子”的發現，有望為構造穩固的拓撲量子計算機提供更多可能性。量子世界本質上是并行的，因此量子計算機能夠進行高度并行的量子計算，遠比經典計算機有效。例如，在一個高難度的計算問題上，傳統計算機只能運用窮舉法，逐一列出可能項并加以計算，而量子計算機則可以同時完成所有可能項的計算。然而，一個量子比特（量子信息的基本單位）的信息非常難以存儲，微弱的環境噪聲都能夠毀滅其量子特性。

由于“天使粒子”沒有反粒子，或者說它相當于半個傳統粒子，這便提供了一種絕妙的可能：我們可以將一個量子比特一分為二、存儲在兩個距離十分遙遠的“天使粒子”上。傳統的噪聲只有在同一時間、又以同樣的方式影響這兩個“天使粒子”，才能毀滅所存儲的量子信息，而這是極其難以實現的。因此，通過這樣的方式存儲在遠距離“天使粒子”上的量子比特，本質上極其穩固。有了這一發現，未來真正有效的量子計算將有望成為現實。

當然，從基本科學發現到技術應用往往需要多年時間，但是筆者對于“天使粒子”所在的量子天堂充滿了興奮與期待：拓撲量子計算能夠解決當下人類面臨的一些最艱難的問題，繼而創造一個更加美好的世界。