寻找量子幽灵

发布时间：2024-03-08

176 墨子沙龙

编译 | 程欢

审阅 | 张昊

微观粒子分为玻色子和费米子两大类，马约拉纳费米子（Majorana Fermion, MF）是一类特殊的费米子，其反粒子就是自身。这一概念最早在1937年由意大利科学家埃托雷·马约拉纳（Ettore Majorana）提出，但不久后，这位31岁的物理学家在乘船横渡特伦托海后离奇失踪，时至今日也无人知晓真相，更为马约拉纳费米子增添了一丝神秘色彩。他离世后很长的一段时间里，人们都没有找到马约拉纳费米子。

▲ 马约拉纳。图源：网络

然而，科学家们认为他们即将在一种非常不同的场景中近似地得到一个马约拉纳费米子。通过将电子约束在平坦的表面上，研究人员可以诱使这些电子按照特定的编排跳集体舞，这种集体舞的编排使得整体的运动展现为马约拉纳粒子的样子，就像天空中鸟群的波动可能看起来像是一条在天上游动的鱼一样。如果这种马约拉纳准粒子能够被驯服，其回报将是双重的。首先，发现这种全新的物理现象，与在对撞机中发现新粒子一样令人兴奋。更现实的回报在于，这种电子集体舞有望将量子计算机从一种脆弱的设备变为真正有实用价值的机器，从而帮助兑现量子计算机在大幅提高某些问题的计算速度以及模拟真实现实的本质方面所做出的承诺。

▲ 成千上万的鸟飞在天空中，就好像形成了一条大鱼在海里游。图源：Medium

高效但脆弱的量子计算机

根据1997年物理学家亚历克谢·基塔耶夫（Alexei Kitaev）在俄罗斯朗道理论物理研究所工作时发表的一篇论文，这种奇异的电子集体舞有望成为一种新型计算机的蓝图。

众所周知，传统计算机依赖晶体管，利用电流的开和关来编码一个0或一个1——即1“比特”信息。机器以正确的方式连接，便可以运行任何能想到的计算，但极其复杂的任务需要非常长的时间。

量子计算机利用量子物理学的神奇规则来加速计算过程。如果量子位，或“量子比特”，是由原子这样的物体构成，那么它可以具有0和1状态的许多不同叠加。即使是相对较小的量子比特阵列，也可以通过称为“量子纠缠”的过程相互连接，对大量可能的计算进行编码。对于某些问题，科学家可以使用算法操纵这些量子位，以提高它们得到正确答案的概率。

理论上，这让诸如模拟化学相互作用和大数分解（现代密码学的基础）之类的任务的可行性突然增强——量子计算机的这种功能使它既是盈利工具，也构成对国家安全的威胁。

问题在于量子比特是脆弱的。环境噪音很容易干扰它们，导致它们的属性发生错误的变化，或过早地坍缩到确定的0或1状态。由于量子比特是纠缠的，这些错误将像野火一样蔓延直至整个计算过程崩塌。标准的量子纠错方法，是由冗余的量子比特来纠正错误，但这是一项巨大的挑战。目前最强大的量子计算原型机也仅号称具有数百个量子比特，远远不够无误操作所需的也许数百万或数十亿个。

基塔耶夫教授针对这个问题提出了一个巧妙的应变方法。在他的方案中，量子比特不需要由原子组成，而是由特殊的任意子（anyon）对组成，这些任意子对可以捕获其离解电子的量子信息。通过纠缠多个任意子、并利用编织有序的集体舞轻盈地引导它们，人们就可以完成计算，最终通过揭示任意子是否融合成一个电子（表示1）或什么都没有（表示0）来读取正确答案。由于电子被有效地分离，并不处于任何一个特定的位置，因此可以不受局部干扰的影响。

然后，挑战就在于如何让电子欺骗性地分散其轨迹。最简单的方式是将电子和空穴完美连接，形成两个分离的实体，每个实体既是半个电子又是半个空穴。这些量子阴阳粒子非常类似于马约拉纳所提出的粒子，既相同又相反，没有能量和电荷。具有零能量的这对准粒子将安全地停留在电子所处的正能态和空穴所处的负能态的间隙中，提供了对抗外界噪音的额外保护。基塔耶夫关于利用准粒子内置错误保护的想法现在被称为拓扑量子计算。

▲ 谷歌工程师聚集在一个设计用于将量子芯片冷却至比太空深处温度更低的冷却系统下。ROCCO CESELIN/GOOGLE QUANTUM AI

寻找马约拉纳准粒子

大约在2004年，加州大学圣巴巴拉分校的数学家迈克·弗里德曼（Mike Freedman）致信微软创始人比尔·盖茨，推广拓扑量子计算的理念。一年之后，微软果断接受该理念并成立了Station Q，一个最初由五人组成的团队。

微软的开局战略是利用分数量子霍尔效应，这是二维系统中电子的一种奇特行为。在强磁场下，材料中的电子会具有特定的能级，每个能级可以容纳一定数量的电子。由于费米子的特性，电子会重新排列，从而形成一种量子流体，其性质在很大程度上取决于所占据的特定能级的分数。例如，如果半填充第二个能级，磁场的轻微变化就会导致流体中出现涟漪，看起来像是具有四分之一电子电量的电荷，其中每个都关联一个马约拉纳准粒子。

微软研究人员开始在砷化镓样品中寻找这些分数量子电荷，砷化镓是一种常用于太阳能电池的化合物。但经过多年的尝试，科学家们未能让材料适配：马约拉纳准粒子的保护能隙太小，而通过应用电门来引导准粒子进行任何有用的运动也过于具有挑战性。

在量子霍尔效应领域，2017年，斯坦福大学张首晟团队与加州大学洛杉矶分校的王康隆团队、加州大学欧文分校的夏晶团对合作也取得了巨大的进展。他们在超导-量子反常霍尔平台中发现了具有半个量子电导的边缘电流，与理论预言的手性马约拉纳准粒子十分吻合。这是霍尔效应平台系统中第一个具有确凿证据的马约拉纳测量结果，张首晟教授甚至给这种手性马约拉纳准粒子起了一个独特而响亮的名字——“天使粒子”。

微软团队则迅速改变方向，开始资助纳米线（nanowire）的研究。2012年，由代尔夫特理工大学（荷兰）的物理学家里奥·库文霍文（Leo Kouwenhoven）领导的一个团队，通过将纳米线末端的电压从负值变化到正值，观测到电导率在电压为零的时候出现一个小峰值——他们认为，这是存在于零能量处的马约拉纳准粒子对的证据。但理论家很快意识到，其他更普通的电子准粒子在零能量附近也会产生类似的现象。

2018年，库文霍文的团队发表文章称测出了该标记，然而这篇作者自认为获得了确凿证据的文章却于2021年被《自然》撤回，原因是同时存在确认偏见和仪器误校。与此同时，微软也经历了文化变革，提出以商业化为重点，同时防范知识产权泄漏的商业化愿景。最终，微软削减了大部分与大学合作的资金，并将其大部分量子计算研究转为内部进行。

目前对马约拉纳准粒子的寻找主要有三个方向：纳米线、石墨烯和量子芯片。

01 纳米线

微软在第一个方向——纳米线上持续发力。在2023年6月份发表的一篇论文中，微软的研究人员报告了使纳米线马约拉纳准粒子更加稳健方面的进展。马约拉纳保护取决于准粒子的零能态与电子最接近的允许能级之间的能隙大小。如果能隙太小，微小的温度变化将注入能量，可能会破坏马约拉纳准粒子，或者产生不需要的准粒子，可能会干扰它的信号，特别是在纳米线的两端没有充分分离的情况下。

微软的研究人员测量了他们纳米线的能隙达到30微电子伏特，而研究人员相信可靠信号的阈值只需10微电子伏特。接下来的一步是展示一对马约拉纳准粒子可以融合成0或1态，并将两对马约拉纳准粒子编织成一个功能性的量子比特。微软物理学家奇坦·纳亚克（Chetan Nayak）相信他的团队可以做到这两者。然而，整个科研界基本上对此抱谨慎态度。一些人继续批评微软保密制造方法及其模拟部分，一些人认为这根导线仍然不够清洁或不够长，无法防止导线内部混乱触发虚假信号。但即使假设信号来自马约拉纳准粒子，微软发布的微小能隙在实际操作中提供的保护有限，加州大学伯克利分校的理论物理学家迈克·扎勒特尔（Mike Zaletel）曾在Station Q研究纳米线时表示：“很难想象他们会有一个能隙那么小但非常鲁棒的量子位。”

02 石墨烯

在加州大学圣巴巴拉分校（UCSB），安德里亚·杨（Andrea Young）采用一种完全不同的路径来研究马约拉纳准粒子，这种路径重新引入了分数量子霍尔效应，但使用的是石墨烯而不是砷化镓。石墨烯是一层碳原子以六边形排列的薄层，于2004年研究人员使用透明胶带从石墨中剥离其中一层时首次发现。自那以后，杨和同事们已经弄清楚如何将石墨烯和其他材料的薄片以三明治形式堆叠，提供比砷化镓更薄的量子霍尔平台，在该平台里电子更容易被引导相互作用并分裂成四分之一电荷。他们还学会了如何将石墨晶体切割成复杂的电门，放置在他们的设备上方，以捕获和控制准粒子。

▲ 技术人员使用透明胶带剥离薄的石墨层

最近，杨和同事们测量了其石墨烯样品中预计将形成马约拉纳准粒子状态的能隙，发现它比微软发布的能隙大10倍左右。杨表示，这应该可以保护基于石墨烯的量子比特，哪怕是在5开尔文左右的温度下——该温度对于此类量子工作来说已经相对较高了。

在普林斯顿大学工作的物理学家阿里·亚兹达尼（Ali Yazdani）正在进行类似的石墨烯研究，使用电子显微镜制作能量差异在石墨烯表面的变化图，为定位马约拉纳准粒子可能的聚集地提供有用的指导。但并非每个人都相信他们将能够对石墨烯系统中自由移动的准粒子进行足够的控制，使之扩展为规模化的量子比特阵列，或者他们能够创造足够大的能隙以阻止入侵者。

03 量子芯片

在距离Station Q新办公室不远的停车场对面，谷歌正在通过第三种方式——量子芯片——来追寻马约拉纳准粒子的踪迹。

经典计算机的纠错是通过将一个比特的信息复制到其他比特来实现的，在量子计算机中这是一个挑战，因为量子力学的法则禁止量子态被“克隆”。谷歌的解决方法（也是由基塔耶夫提出的）是让量子比特的阵列像拓扑材料一样运作，并且以非局域的方式存储信息，将其分散到许多量子比特上，以便无法从任何单个测量中获取。最近，谷歌工程师在康奈尔大学理论物理学家金恩雅（Eun-Ah Kim）的帮助下，将马约拉纳准粒子的连接推向了现实的一步。金的团队学会了在谷歌的（量子比特）阵列中将量子比特的区块组合在一起，然后消除个别量子比特之间的连接，以在网格中制造缺口。该团队在2023年五月份发表在《自然》杂志上的文章中提到，旋转这些缺口会改变它们的性质，与编织马约拉纳准粒子效果相同。

谷歌团队尚未使用这一方案来实际检测和纠正错误。尽管如此，这个实验表明科学家们对量子系统的掌握能力越来越强。

多年来，关于埃托尔·马约拉纳失踪的报道变成了毫无根据的阴谋论和虚构故事，对马约拉纳准粒子的探索也颇为类似，许多研究人员感到灰心，即使是先驱基塔耶夫（他现在在加州理工学院工作并为谷歌提供咨询）也变得心存疑虑。“从理论上讲，它很美妙，但在实践中似乎我们没有一种合适的技术能够让它很好地运作，”他说。

虽然研究人员不再期待短期内能寻找到马约拉纳准粒子，但他们仍希望通过逐渐提高实验的精确性，以提高找到马约拉纳准粒子的可能。加州大学圣巴巴拉分校的物理学家克里斯·帕姆斯东（Chris Palmstrøm）为众多相关实验制造纳米线，他说：“我们被驱使着找寻真相。我认为我们会找到的。”

文章编译自：Zack Savitsky, The Quantum Phantom, Science, (2023)

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