江湖早有傳說 80年後馬約拉納費米子終被捕獲
導語：「量子計算非常有用，速度非常快，但並不容易實現，其原因之一就是量子比特糾纏會有很多噪音雜質的影響，而拓撲量子計算可以利用它的拓撲性質，來保護量子不受干擾，而馬約拉納費米子的發現向拓撲量子計算邁進了一大步」。在SELF講壇上，賈金鋒教授分享了他發現馬約拉納費米子的經歷，從馬約拉納費米子的提出，到馬約拉納費米子的重要意義，再到賈金鋒以及他的團隊如何找到馬約拉納費米子的經歷，他娓娓道來，讓公眾感受到了科學家的不懈的探索和創新精神。
什麼是馬約拉納費米子
什麼是馬約拉納費米子， 要了解馬約拉納費米子，首先知道什麼是費米子。
大家所熟知的是原子、分子，我們這個物質世界就是由這些原子、分子組成的，原子分子其實是能夠保持物質性質最小的基本單元，如果把原子分子再往下分，就會分出很多個叫做基本粒子的東西。它們比原子分子更小的、組成我們物質世界的單元，我們叫做基本粒子。
一位天才的科學家——狄拉克，他把基本粒子分成兩類，一類叫費米子，一類叫玻色子。玻色和費米，他們兩位都是非常偉大的科學家，為了紀念他們，所以用他們的名字命名了這兩類基本粒子。
狄拉克還預言，這些基本粒子還存在反粒子，每一種基本粒子都存在一種反粒子。比如說電子是一種費米子，我們用的就是由電子產生的，它的反粒子就是正電子。
在這之後，又出來了一位更偉大的科學家，他叫馬約拉納，被甚少稱讚人的費米稱之為天才的科學家。他做了這麼一個預想，在狄拉克方程的基礎上，他預想存在一種粒子和它的反粒子是一模一樣的，就是正反粒子都是它自身。這個預想中的粒子被稱為馬約拉納費米子。
拓撲量子計算的好伴侶
為什麼要找馬約拉納費米子？馬約拉納費米子它有什麼好的地方，為什麼大家都要去找它？一方面從理論上來講，馬約拉納做了這樣一個預言，不僅因為他是一個天才的科學家，而且這個預言本身意義非凡，找到了這個例子也就證明了這個理論。
在這個理論之後又出來了一些其他理論，比如暗物質。暗物質出來以後，有理論預言暗物質的備選粒子也是馬約拉納費米子，所以如果能夠找到馬約拉納費米子，也將有助於人們理解暗物質。
更重要的是，找到馬約拉納費米子以後，還可以做拓撲量子計算。馬約拉納費米子除了在理論上、基礎研究上有重要性之外，還可以用來做拓撲計算，既在理論上有重要性，在實際應用中也很重要，所以人們一直在找尋它。
馬約拉納費米子的現世——從神話降臨人間
怎麼找？我們需要找的馬約拉納費米子是一種準的粒子，不是像電子、質子是一個真的粒子。准粒子是說在凝聚態這個體系裡面，只有電子和原子核。在這樣一個體系裡面，如果你把很多個電子、原子湊在一塊兒，按照某種形式把他們組合在一塊兒，就有了一種特殊的性質。這個特殊的性質可以把它看成是跟馬約拉納費米子一樣，就是它遵從同樣的馬約拉納方程，這樣的粒子可以把它看作是一個準粒子。
它其實不是由單獨的一個粒子組成，是由很多的電子、原子組成一塊湊成的一個東西。我們想找的不是一個真的單個的粒子，是一個準粒子，是在固體裡面，我們經常提到的准粒子，它是代表很多個電子、原子共同的性質。
馬約拉納費米子是存在一種叫做拓撲超導的材料裡面。超導體就是所有自然界的材料，它們有導電的，有不導電的，導電的叫導體，不導電的叫絕緣體。超導體電阻為0，它比一般的導體要好，就是再導電過程中沒有電阻，這叫超導體。
而拓撲超導體是拓撲絕緣體發現以後，人們發現的另外一種物質的狀態，這是一種新型的超導體。但實際上自然界中我們發現了成千上萬中超導體，沒有一種是拓撲超導體。拓撲超導體在自然界中不存在，這就是一個很大的問題。
有一個理論預言，如果把拓撲絕緣體和超導體放在一起，他們倆就可以再組合成拓撲超導體。如果我們把拓撲絕緣體和超導體組合在一起，通過一種巧妙的方式把它組合起來，組合出這種拓撲超導體，就可以幫助我們尋找馬約拉納費米子了。
組超導體並不是那麼容易，我們把掃描隧道顯微鏡和一種叫分子數外延的尋找材料的方法結合在一起，我們可以一個原子層一個原子層的去找原子，這樣找出來的材料應該是世界上最好的純度。
有了這些技術以後，我們就通過另外的一個實驗的設計，很容易的找出了拓撲超導體，並且通過巧妙的設計，把這個拓撲超導體設計成比較有利於我們的實驗觀察的形式。
實驗是用了掃描隧道顯微鏡技術，這個掃描隧道顯微鏡是目前唯一的能夠在實空間裡面看見真實原子的顯微鏡，它的放大倍數非常大。說起來這個顯微鏡很神奇，但是實際上原理很簡單，它的原理就是相當於用一個手指頭在表面上去摸，原子有起伏，你就會感覺出來，但實際上不是用的手指頭，而是用的一個非常尖的針，針從表面上划過的時候，我們去測量針和亞米原子之間的電流，如果真和亞米原子之間非常近的時候電流大，遠的時候電流就小，這樣我們可以記錄表面上的高低起伏有沒有原子。
所用的這個針有磁性，有了磁性以後，表面上，有磁性的原子和沒磁性的原子就可以區別開來，這樣我們就可以用這樣一個掃描隧道顯微鏡既研究表面上的結構，也研究表面上的磁性。這個就叫自旋極化掃描隧道顯微鏡，在此基礎上，就可以開始我們的研究。
找到了材料，又有了高級的設備，我們還是花費了好幾年的時間，因為沒有人知道馬約拉納費米子到底長什麼模樣，和普通的超導體有什麼區別。你看見的什麼東西，才是真正的馬約拉納費米子？但說起來也不是那麼容易，這樣摸索了好幾年以後，終於我們找著了一種叫做自旋極化電流的東西，這就是我們用的樣品，其實樣品很小，這是一、二、三，三個樣品，真正起作用的就是中間一小點。在這個樣品上，這就是我們做的拓撲超導樣品，在這個樣品上我們又觀察到了自旋極化電流，確實是由馬約拉納費米子產生的。通過這個觀察我們證明了馬約拉納費米子的存在。
探索之路沒有終點，實現拓撲量子計算
馬約拉納費米子的發現對我們有什麼用？它可以用來做拓撲量子計算。量子計算非常有用，速度非常快，能夠處理現有的整個世界上加起來計算能力更大的東西。
但是量子計算並不是那麼容易實現的，原因之一就是你想把所有的量子比特給它糾纏起來，然後保持它在一個相當長的時間之內完成這個量子計算很困難，有很多噪音雜質的影響。所以量子計算到目前為止還沒有實現。
為了克服這外界因素的干擾，人們就提出了另外一個實現量子計算的方法，就是拓撲量子計算。拓撲量子計算就是利用它的拓撲性質，來保護量子比特不受干擾，使它能夠不用再糾錯，不用再擔心退相干的問題，這樣更容易的實現量子計算。
但是拓撲量子計算完全是一個假想出來的方案，這個方案需要結合任意子，這是更奇特的一種東西，完完全全臆想出來的任意子。只有有了這個任意子，我們才能做這個拓撲來自計算。
這個任意子也是假想出來的，自然界當中也不存在。可喜的是，我們找到的馬約拉納費米子恰恰就是一種任意子，所以馬約拉納費米子為什麼能做拓撲量子計算，就是因為它是個任意子，所以它是實現拓撲量子計算的一種很好的材料。
其實在馬約拉納費米子被提出來能在凝聚態中能夠實現的這個想法以後，各個國家已經開始布局了，歐美已經投入了大量資金，在馬約拉納費米子的研究以及拓撲量子計算的研究方面。
微軟已經從2010年開始投資這個方向，五年一個周期，現在進入到第二個周期。拓撲量子計算方法馬約拉納費米子的研究進展也非常快，國際上幾十個團隊都在研究這個方向。
我們能夠率先找到馬約拉納費米子，是非常幸運的一件事，我們希望能夠在國家的支持下，接著往前走，希望在五年到十年之內找出用馬約拉納費米子做的量子比特，然後再進一步實現拓撲量子計算。
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