上海交通大学贾金锋研究团队通过巧妙的实验设计，率先观测到了在涡旋中的马约拉纳费米子的踪迹，而这种粒子在过去80年里，是全世界粒子物理学家一直在搜寻的神秘粒子。此番中国科学家成功“探测”到它的踪迹，或将让人类跨入量子计算时代的梦想迈进一大步。
图为实验室内的人造拓扑超导体。 许婧 摄
美国东部时间6月21日(北京时间6月22日)，国际顶级物理学刊物《物理评论快报》(PhysicalReviewLetters)在线发表了贾金锋教授及其合作者的论文。
1937年，意大利物理学家埃托雷·马约拉纳预言，自然界中可能存在一类特殊的费米子，这种费米子的反粒子不但和它自己长相一样，脾气也完全相同。两兄弟站在一起就像照镜子，可以说，它们的反粒子就是自己本身，这种费米子被称为“马约拉纳费米子”。这个名叫马约拉纳费米子的粒子既是困扰物理学界80多年的正反粒子同体的特殊费米子，也是未来制造量子计算机的可能候选对象。
尽管科学家做了很多努力，但在过去的近80年中，物理学家一直都未找到马约拉纳费米子存在的证据。此前，已有美国、荷兰等国科学家宣称找到这种粒子“迹象”。
图为贾金锋教授在实验室。
2016年初，中国的科学家终于发现了这类神秘粒子存在的迹象。上海交通大学大贾金锋教授研究组与浙江大学许祝安、张富春研究组，南京大学李绍春研究组及美国麻省理工学院傅亮教授等合作形成的研究团队，率先观测到了在拓扑超导体涡旋中存在马约拉纳费米子的重要证据。
“寻找马约拉纳费米子的过程就是不断突破、不断创新的过程。”贾金锋说，在大量实验基础上，他们没有按照大多数人通常的思路往下走，而是反其道而行之。最终，把超导材料放在了下面，使它上方“生长”出了拓扑绝缘体薄膜，让拓扑绝缘体薄膜的表面变成拓扑超导体，直接把喜欢捉迷藏的马约拉纳费米子从“暗处”翻到了“明面”上，观察起来更方便了，为寻找马约拉纳费米子奠定了重要的材料基础。
贾金锋说，找到马约拉纳费米子意味着人类在量子物理学领域取得了一个重大突破，同时也意味着在固体中实现拓扑量子计算成为可能。这个发现或将引发新一轮电子技术的革命，使人类进入拓扑量子计算的时代。
与普通计算机通过二进制方式处理数据不同，量子计算机是一种基于量子物理机理处理数据的计算机。它对数据的处理速度惊人。以天气预报为例，由于现有技术的局限，现在人们对天气的预测不可能达到每次都非常准确。如果使用量子计算机来计算天气数据，不仅能瞬间运算海量数据，预测的准确性也会大大提高。当然，精确地预测天气对于量子计算机来说还不算什么，它能对海量已经合成的新材料，甚至还能对未合成的概念材料进行系统、精确、高效地计算，为材料科学领域带来革命性的进步。而科学家们预期马约拉纳费米子就是制造量子计算机的完美选择之一。
据介绍，迄今还没有制造出真正意义上的量子计算机，其中一个很重要的原因是，目前用于量子计算的粒子的量子态并不稳定，电磁干扰或物理干扰可以轻松打乱它们本应进行的计算。而马约拉纳费米子的反粒子就是自己本身，它的状态非常稳定。这些属性或许使量子计算机的制造变成现实的一个关键，从而帮助人类敲开拓扑量子计算时代的大门。