中国封建家严重发觉，或成为拓扑量子盘算机“拍门砖”
编者按
8月17日清早，国际顶级期刊《封建》（Science）公布了中科院物理所丁洪-高鸿钧协同向导的互助团队的一项研讨后果[1]：他们初次在铁基超导质料中发觉了马约拉纳束缚态（或称为零能模）。
用丁洪的话讲：“此次事情不仅在较低温度、较高纯度的情况下完成了对马约拉纳零能模的直接观察，更在铁基超导的拓扑范畴开了‘一扇门’，为后续完成“编织量子比特”，进而制造拓扑量子盘算机打下了坚固的基本。”
那么，“马约拉纳零能模”这个拗口的名词又与时下火爆的量子盘算机有哪些干系呢？笔者尽力用“门槛低”的话给您娓娓道来。
撰文 | 吕浩然
责编 | 李晓明
知识分子为更好的智趣生存 ID：The-Intellectual
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摩尔定律——“天花板”的束缚
颠末七十余年的提高，现今的盘算机与最早的ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer）[2]比拟以前有了质的奔腾。ENIAC这个重达27吨、每秒运算5000次（加减运算）的各位伙注定会成为汗青，但却不影响它在盘算机提高历程中“第一”的位置。
随着晶体管、集成电路等硬件武艺的提高以及软件、算法的不休改造，盘算机体积变得越来越小，功效越来越强壮，但如今也面临着一个叫做“摩尔定律”[3]的“天花板”。摩尔定律曾预言：当价格安定时，集成电路上可包容的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增长一倍，功能也将提升一倍。
这个由Intel创始人之一Gordon Moore提出来的定律在盘算机武艺放纵提高的年代还实用，但随着硅基晶体管集成电路渐渐接近功能极限，这条定律也几乎压得人们喘不外气来。那么，后“摩尔定律”年代，盘算机应向哪个朝向走？
有人从质料动手：硅基质料接近了功能极限，那就从相反丰厚且便宜，还能规避硅基质料缺陷的其他质料动手，比如碳基质料。
另有人从盘算体系动手：现今的数字盘算机接纳的都是二进制体系，即0或1，一个0/1即信息量的最小度量单位，称为1比特（BIT），我们通常权衡一个数字文件轻重所用到的是B（Byte），即字节（1 GB = 1024 MB = 10242 KB = 10243 B），1字节即是8比特。
而量子盘算机却与数字盘算机不同，大概普通地说，量子盘算机中的量子比特（qubit）不仅可以表现0或1，乃至还包含了0与1之间的数字，这也大大提高了其运算才能！
因此，量子盘算机成为了下一代盘算机的一大抢手，而此中制备安定的量子比特就成了紧张环节之一。
马约拉纳零能模——承载量子比特的“抢手候选”
没有量子比特的量子盘算机无异于一幅空壳。2000年，IBM的封建家David DiVincenzo提出了制作量子盘算机的五个要求和两个帮助条件，为将来具有实用代价的量子盘算机画出了蓝图，而此中的第一个要求，就是“一个能表征量子比特并可扩展的物理体系”[4,5]，也就是说，要找到切合的质料或体系去承载量子比特成了量子盘算机的拍门砖。
现今制备量子比特的办法有很多，离子阱、超导电路、金刚石色心、半导体量子点等等，皆有约莫[5]。但这些办法都或多或少有一些困难必要克制。此中，只存在于固体质料中的马约拉纳零能模，系一种存在于拓扑超导体中奇异的准粒子引发，听从非阿贝尔统计（简便地说就是“先互换1、2再互换2、3”与“先互换2、3再互换1、2”的利用不等价），可用于构建拓扑量子比特。
而与传统的量子比特比拟，拓扑量子比特由马约拉纳零能模编织利用的时间线纽结决定，对外界局域的扰动不敏感。因此具有丰厚的潜伏使用代价，可以用来构筑高容错的量子盘算机[6]。
为量子盘算提供一个新的平台
但是，找到马约拉纳零能模却并容易。
1937年，意大利物理学家马约拉纳（Ettore Majorana）预言了一种神奇的基本粒子——马约拉纳费米子，它的神奇之处在于，马约拉纳费米子的反粒子就是它本身。但是，八十余年已往了，在真实的天下中，马约拉纳费米子的身影仍未被捕捉（这仍有待高能实行物理去发觉）。
?Ettore Majorana，图片泉源：Wikipedia
而在凝结态物理中，封建家们却在一大类质料——拓扑超导体中（准确地说是在破缺时间反演对称性的本征P波超导体中）发觉了具有马约拉纳费米子实质的准粒子，但是，破缺时间反演对称性的本征P波超导体在天然中却十分有数（纯度要求十分高，且对杂质十分敏感）。
2008年，麻省理工学院实际物理学家傅亮和Charles Kane初次提出经过超导近邻效应制备等效的P波超导异质节质料[7]。这个反动性的实际假想一经公布，便开启了一场在“人工p波超导”异质节中寻觅马约拉纳零能模的国际比赛。
而在这场比赛中，不乏华人的身影。
2016年6月22日，上海交通大学贾金锋研讨团队率先观察到了在拓扑绝缘体/超导体异质节的磁涡旋中存在马约拉纳零能模的紧张证据，该后果公布在《物理批评快报》（Physical Review Letters）上。
2017年7月21日，《封建》（Science）在线公布了由美国加利福尼亚大学洛杉矶分校王康隆课题组主导，斯坦福大学张守晟课题组及上海科技大学寇煦丰课题组等8家单位互助完成的一项研讨后果——初次在磁性拓扑绝缘体薄膜与超导体团结的异质布局中发觉了一维手性马约拉纳费米子存在的证据[8]。
而在2018年3月9日，《封建》（Science）杂志在线公布了丁洪课题组与东京大学固体质料研讨所、普林斯顿大学、布鲁克海文实行室、南京大学等互助团队的一项研讨[9]，研讨职员在铁基超导体FeTe0.55Se0.45（铁碲0.55硒0.45）中发觉了拓扑超导性[10]。
中国封建院大学卡弗里实际封建研讨所所长张富春也就丁洪-高鸿钧团结团队取得的最新研讨后果向《知识分子》批评道：“铁基超导变化温度高、超导能隙大，其产生的马约纳拉零能模不易‘量子中毒’。丁洪等人的这一发觉为量子盘算的探究提供了一个全新的平台。”
因此，此次丁洪-高鸿钧团结团队完成的在铁基超导中对马约拉纳零能模的多量直接观察则更像是“在自家门扉前欣赏美景”。
众里寻“马”千百度
“但是，门并不是那么好开的，还得你认准了朝向才成。”关于此次的研讨历程，丁洪报告《知识分子》，“千百次的观察约莫会取得我们想要的后果，也约莫会什么都得不到。侥幸地是，我们最初照旧找到了！”
据丁洪先容，但是他们并不是在铁基超导体看到零能峰的第一人，美国康奈尔大学的J. C. Séamus Davis在实行中看到过零能峰，“Davis他们几乎早了我们一年，但是他们却不信赖铁基超导中可以有马约拉纳零能模，没有持续深化地做下去。而我们则坚信铁基超导质料中可以观察到马约拉纳零能模，后果我们的确找到了它存在的多量实行证据”。
这听起来更像是一句“信则有之”的禅语，但此次发觉的历程却并无几多禅意，而是一步一步、兢兢业业的推进。丁洪研讨组先后与中科院物理所方忠、戴希研讨组以及日本东京大学Shin研讨组、麻省理工学院傅亮传授、美国布鲁克海文国度实行室顾根大传授的前一阶段互助，皆是实打实的积累。“这次的研讨要务实行的样品纯度十分高，顾根大传授在Fe(Se,Te)高质量单晶生长上具有深沉的造诣，为研讨团队提供了高质量的单晶。”丁洪增补道。
据丁洪追念，客岁（2017年）4月份，当高质量能带丈量后果刚刚完成之时，他就找到了物理所的同事高鸿钧院士，商榷对直接丈量马约拉纳束缚态掀开互助。“高鸿钧院士课题组具有十分强壮的仪器装备，在实行丈量上有着厚重的履历积累。这使得研讨团队可以同时使用两台He-3极温度低强磁场的扫描隧道显微镜举行实行。”丁洪叹息，“如此精良的条件为国表里很多偕行所倾慕。”
但是即使是统统都具有了，前多次的观察却仍未找到马约拉纳零能模，“前方多次的观察皆未找到，直到改换到第13个样品时，我们才观察到了目标征象。”丁洪表现，“我们以前扫除了约莫产生干扰的要素，实际上也为观察到马约拉纳零能模提供了富裕条件，那么一旦观察到了，这就是对马约拉纳零能模的直接观察。”
而关于将来完成量子拓扑盘算机，丁洪则显得兴奋而审慎，“我们的事情只是在铁基超导上完成了对纯的马约拉纳零能模的直接观察，同时，观察的温度比力高，约莫完成在液氦温度下对马约拉纳零能模的调控，这些都在为拓扑量子算机打基本，同时开发了铁基超导这条新的途径，这都证实白它的研讨代价。”
针对此次研讨，2003诺贝尔物理学奖得主Anthony J. Leggett、斯坦福大学张首晟传授、麻省理工学院文小刚传授皆提供了书面评价（丁洪提供）：
Anthony J. Leggett:
Your experiment is that it is cleaner than many previous ones, and I believe the first plausible claim of evidence for Majoranas in a bulk superconductor; if your identification of the ZBP as a Majorana is correct, this may make the attainment of braiding considerably easier. While I would not regard this identification as necessarily unique, I think your characterization of it as the “most probable” of the available explanations is not unreasonable.
（译：我以为你们的实行比很多从前的实行更明晰，我信赖它是第一个可信的证实体超导体中拥有马约那纳粒子的证据；假如这个零能峰是马约那纳的条件是准确的话，这约莫会使完成编织容易得多。固然我不以为这种判定一定是唯一无二的，但我以为你们结论是现有表明中“最有约莫”的说法是公道的。）
张首晟：
一年前我们公布了“天使粒子”的发觉，完成了整整八十年对奥秘的Majorana费米子的寻觅。但是我们的体系有不敷之处，实行体系是由常规超导体与量子特别拓扑绝缘体构成的殽杂器件，别的征象是在超温度低的极度条件下才显现的。
今天丁洪和高鸿钧传授协同向导的团结实行小组公布了奋发民意的新发觉，公布在出名的《封建》杂志上。在2016年我的实际小组预言了铁基超导体Fe(Se,Te)体系有拓扑外表态，当体内进入超导态后外表会进入拓扑超导态，在磁涡中存在Majorana零能模。
丁洪传授是天下级的出色实行物理学家，对超导范畴的研讨做出了出色的奉献。在今天公布的事情中，他们的实行证实了我们的实际预言，用STM的实行伎俩察看到了Fe(Se,Te)拓扑外表态磁涡中的Majorana零能模。
这项发觉封建意义十分严重，大大推进了铁基超导的研讨与马约拉纳费米子的研讨。Fe(Se,Te)是一个本征体系，很多物理实质优于殽杂体系，效应存在的温度较高，不必要极度的超温度低条件。Majorana费米子可用于拓扑量子盘算机，能用量子平行的原理秒算许大多学困难。常规量子盘算中一个有效的量子比特必要10～100个纠错比特为其办事，而拓扑量子比特自带纠错才能，有更好的拓展与鲁棒功能。
基于以上的优点，我以为这次实际与实行严密互助的封建发觉是有严重而深远的封建意义的。
文小刚：
铁基超导体，是第二类低温超导体。中国封建家，包含丁洪团队，在这一范畴中，取得了天下范围内的主导位置，发觉了很多新的铁基超导质料，和种种幽默的物理实质。迩来丁洪-高鸿钧团队及互助团队在一种铁基超导质料中，发觉了一个更故意思的征象：他们察看到马约拉那零模的特性信号。这使铁基超导质料有约莫使用于构建，对情况干扰免疫的拓扑量子盘算机。
马约拉那零模是粒子的一本实质。有这本实质的粒子具有非阿贝尔统计（是波色统计费米统计的推行）。这种粒子的最奇妙之处，就是它带有分数自在度，如半个量子比特。互换这种粒子就可以完成拓扑量子盘算。
非阿贝尔粒子早在1991年就在实际上被提出，可以存在于一些二维拓扑序质料中。1999又被指出约莫存在于二维p波超导质料中。由于它是一种全新的粒子，也由于它在拓扑量子盘算中的紧张性，多年来实行物理学家不休在猖獗的征采它在真实质料中踪迹。这次在铁基超导质料外表察看到马约拉那零模的特性信号，有很高的安定度。是一个紧张的发觉。
参考文献：
[1] 此次文章链接
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/ENIAC
[3] https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%91%A9%E5%B0%94%E5%AE%9A%E5%BE%8B
[4] https://arxiv.org/abs/quant-ph/0002077
[5] https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAwMzc2MTA4Ng==&mid=2247488299&idx=1&sn=0a21d3d0a0916bf6b6e6842ed5353648&source=41#wechat_redirect
[6] https://mp.weixin.qq.com/s?src=11×tamp=1534085615&ver=1056&signature=kYuz2*kOaK81G8FgqC9yLzgbz1rvWJUbDNoYJpDnO3*n*2fjEgZL1tv1SUn-uGIHkI4gSoteo22RdWRwuVCT8uwYo9AtrMmKayByMU3WQtcbmSdNFW0HyGTZs5WRRZiz&new=1
[7] L. Fu, C. L. Kane, Superconducting proximity effect and majorana fermions at the surface of a topological insulator. Phys. Rev. Lett. 100, 096407 (2008). Medline doi:10.1103/PhysRevLett.100.096407
[8] Qing Lin He, Lei Pan, et al. & Kang L. Wang, Chiral Majorana fermion modes in a quantum anomalous Hall insulator–superconductor structure, Science. 21 JULY 2017, VOL 357 ISSUE 6348.
[9] Peng Zhang, et al. & Hong Ding, Shik Shin, Observation of topological superconductivity on the surface of an iron-based superconductor, Science, 13 Apr 2018. DOI: 10.1126/science.aan4596
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