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新华视点:科研团队成员揭秘“天使粒子”发现的背后

时间:2017-07-25  来源:新华社  

  新华社上海7月25日电 题:科研团队成员揭秘“天使粒子”发现的背后

  新华社“新华视点”记者王琳琳、周琳

  近日,美国《科学》杂志报告说,多位华人科学家领衔的团队,首次发现了被称为“天使粒子”的马约拉纳费米子的存在证据,破解了困扰物理学界整整80年的难题。

  多位顶尖物理学家认为,“天使粒子”的出现让科学家终于找到了绝佳的量子计算机材料,将大幅提升现有计算速度和效率,进而引发人工智能等行业的深刻变革,是一项里程碑式发现。

  到底有多少“已知”将被这一重大发现颠覆?“新华视点”记者专访了团队主要成员。

  “天使粒子”:正反同体,比量子还小

  “天使粒子”,即马约拉那费米子,是一个比已知最小物理单位量子还小的单位。

  在物理学领域,构成物质的基本粒子有两大家族,费米子和玻色子。过去,物理学家认为,每个费米子必然有其反粒子。唯独一位名叫马约拉那的物理学家认为,宇宙一定有“正反同体”的粒子存在。科学家将这种“正反同体”的粒子称作马约拉那费米子。

  80年来,物理学家为找到这种“正反同体”的粒子,展开了艰辛探索。2010年至2015年,中科院外籍院士、美国斯坦福大学与清华大学教授张首晟团队发表了3篇论文,精准预言了用什么材料的器件、怎样的实验方案、如何测量能够找到“正反同体”的粒子。而后,美国加利福尼亚大学洛杉矶分校、美国加利福尼亚大学戴维斯分校、美国加利福尼亚大学欧文分校和上海科技大学等实验团队依照张首晟的理论预测,成功发现了手性马约拉那费米子。

  张首晟将手性马约拉那费米子命名为“天使粒子”。他说,这个灵感源于小说《天使与魔鬼》。“这部作品描述了正反粒子湮灭爆炸的场景。过去我们认为有粒子必有其反粒子,正如有天使必有魔鬼。但今天,我们找到了一个没有反粒子的粒子,一个只有天使、没有魔鬼的完美世界。”

  发现:偶然中的惊喜,审稿审了整整一年

  马约拉那是“天使粒子”的最早预言者,不幸的是,他在一次乘船旅行中失踪了。

  “历史上总有一些科学家会逆常人而思考。对于这种反常规,大家通常的反应是要么接受、要么批评。可悲的是,对于马约拉那的大胆猜想,大家睬都不睬他。”张首晟说。

  在寻找“天使粒子”的过程中,张首晟坦言,从事基础科学研究,他的内心是孤独的。“有时一个新颖的想法,大家可能根本不理解。有时,道路眼看就要到终点了,突然发现,整个都不对。这种心情是极为痛苦的。”

  该实验设计的主要贡献人、美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的王康隆也说,“天使粒子”的发现是“偶然中的惊喜”。“我们最初的设想是找到一种理想的拓扑绝缘体薄膜材料,因此累积生产了3000多片薄膜,但在实验过程中,我们发现这套设计方案非常适合观测‘天使粒子’,所以做了重新规划。”

  虽然张首晟团队2015年就预言,如果在磁性拓扑绝缘体上面再叠加一个超导体,就会组成拓扑超导体,由此将找到“天使粒子”,但是,将磁性的拓扑绝缘体与超导体叠加并不简单。

  论文共同通讯作者、上海科技大学信息科学与技术学院助理教授寇煦丰说,磁性拓扑绝缘体和超导体这两个材料会互相影响,要找到一个准确窗口,让这两个对抗的材料互不干扰非常难。最终,在美国加利福尼亚大学戴维斯分校和洛杉矶分校的共同努力下,合成了这种叠加器件。

  经历了一次次无功而返和对材料参数的不断优化,王康隆团队终于抓到了机遇窗口,在电学测量实验中成功观测到了张首晟团队理论预言的“半整数量子台阶”,也是“天使粒子”存在的证据。

  “第一次观测到‘天使粒子’时,惊喜而振奋!这是大自然对孤独者的奖赏。”张首晟回忆,论文送审期间,他们还在不断复盘,确保结论经得住检验。

  王康隆说,“审稿人审了整整一年,他们每提出一个疑问,我们都会用30多页纸回复。为此,我们增加了很多补充实验。”

  应用:让拓扑量子计算机走出“纸面”

  “天使粒子”的发现,对构建拓扑量子计算机意义重大。世界上最快的超级计算机100年才能完成的计算量,拓扑量子计算机0.01秒就能完成。尽管计算效率惊人,但业界认为,量子计算距离真正应用至少要50年,因为科学家还没找到合适的量子计算材料。

  “天使粒子”的发现破解了这一难题。张首晟说,量子比特很不稳定,用它存储信息,稍有一点干扰就会让信息瞬间丢失。相反,“天使粒子”只有量子比特的一半,如果将两个“天使粒子”放得远一点,它们就会变得极其稳定,即便环境嘈杂,信息也不会丢失。

  王康隆说,“天使粒子”的发现让拓扑量子计算真正走出“纸面”、走向应用。“接下来,观测并操控‘天使粒子’是实现拓扑量子计算最基础的工作。我们将着力让两到三个‘天使粒子’织在一起,通过互相作用,进行储存和计算。”

  此外,“天使粒子”还将推动人工智能实现“量子的跳跃”,“人工智能的核心是算法。如果依托量子计算机开展运算,人工智能就可以将以前多个步骤才能完成的计算简化为一步,从而最快找到最优化解决途径,这将引发各行各业的深刻变革。”张首晟说。

  启示:传统科学方法论应当变革

  在科技革命、产业革命加速变革的当下,有人说,原始创新难上加难。为何这一次华人科学家能在西方主导的基础科学研究领域崭露头角?张首晟认为,这得益于跨界思维。

  “拓扑,是经典的数学概念;绝缘体,是一种材料。通常,这两个领域的科学家会在各自的领域内思考问题,采用‘穷举法’,把每种可能性都试一遍,效率很低。”张首晟说,采用跨界思维,他将数学与材料学融合,很快在理论上预言了找到理想材料的方法、条件和方案。

  “理论预言接连被证实启示我们,科学研究需要进入下一个认知阶段,告别传统的‘穷举法’,跨界可以加速科研成果的发现进程。在拓扑量子的领域,每一个材料、器件与效应都是最先由理论预言出来的。”张首晟说。

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