MIT首次在金中發現馬約拉納粒子，有助於高容錯量子計算機研發

2023-04-01 09:04:18

麻省理工學院的團隊首次在金中發現了馬略納粒子，為高容錯量子計算機的發展做出了貢獻

麻省理工學院的物理學家成功地觀察到了普通金屬——「金」(即金中的金)表面的多數粒子，證明了它的存在。這為高「容錯」量子計算機的發展開闢了新的可能性。這項研究發表在《美國國家科學院院刊》(PNAS)上。

費米子是物理學中的基本粒子。所有自旋為1/2的粒子，如電子、質子和中子，實際上都被歸類為費米粒子。費米粒子的概念首先由英國物理學家保羅·狄拉克提出，他認為宇宙中每個費米粒子都有一個反粒子。

後來，在1937年，義大利物理學家奧託刀·馬略納進一步發展了這一理論，認為費米粒子中的一些粒子，也就是我們所說的馬略納粒子，在各種性質上與它們的反粒子沒有區別。這在後來掀起了一股在物理學界尋找大粒子的熱潮，甚至一直持續到現在。

先前的理論認為中微子是主要粒子之一，但是沒有經驗證據。此外，也有理論認為，在某些特殊條件下，固體中可能會觀察到大分子粒子。然而，麻省理工學院的這項研究提供了證據。

照片|在這項研究中，概念圖的大部分粒子想像在「金」的表面。(來源:股票圖片)

在本研究中，設計並培養了生長在超導材料「釩」上的納米金導線，通過檢測金導線上表面的電導率來確定材料的超導區域，然後觀察分布在金導線上的「磁性」微硫化銪(EUR鴉片硫化物)，其磁性能可提供磁場以產生大核粒子「胰島」，最後在能譜中成功檢測到代表「大核粒子的存在」的近零能量特徵信號。

麻省理工學院物理系高級研究員賈加迪什·穆德拉(Jagadeesh Moodera)說:「很長一段時間以來，我們一直在嘗試各種方法來實際檢測實驗中存在的主要粒子，現在我們已經這樣做了，並證明它們可以很容易地以穩定的方式擴展。」

該論文的合著者、麻省理工學院的李雅達認為，鑑於他們的成功發現，在一定程度上，他們已經探索了量子計算機中量子比特的下一個研究方向「大分子粒子的可擴展性」。

在量子計算機的研發過程中，有人提出了「把多數粒子當作量子位」的思想，即一個量子位由一對多數粒子組成，計算中可能出現的「噪聲」只會影響兩個多數粒子中的一個，從而使另一個正常工作，避免量子計算機受到「噪聲」的影響而繼續計算。

然而，儘管人們一直在試圖尋找可能由半導體或超導材料中的材料超導性引起的粒子分裂而產生的大分子粒子，並且就在本研究發表之前，科學家們很難根據量子計算所需的比例在材料的生長過程中擴大這種超導材料的尺寸，以便真正觀察大分子粒子並加以利用。

大約10年前，當李雅達帶著一個研究生去做一個項目時，他想出了一個主意，「也許我們也可以試著從普通的類金屬材料中找到大部分納米粒子」。這一想法背後的邏輯是，當金屬與超導體相鄰時，就會變成超導的。在實驗中，科學家經常將包括金在內的各種金屬製成超導材料。如果我們能把金製成超導材料，並通過檢測其表面(材料的頂層)的原子狀態，金就可以作為一個「乾淨」的精確原子系統來檢測主要粒子的存在與否。然而，根據賈加迪什·穆德拉先前對鐵磁性絕緣體的研究，如果這種絕緣體被放置在超導金的表面，研究人員很可能會發現其中存在大分子粒子的證據，這最終將發現這一點的李雅達和賈加迪什·穆德拉帶到了一起。

賈加迪什·穆德拉說:「除了發現主要粒子的存在，另一個值得注意的地方是，這項研究中的材料製備方法比傳統的『基於半導體產生量子位』的方法更穩定。這種材料本身只是一種「三明治」結構，在這種結構中，金被放置在鐵磁性材料和超導體之間，這也使得它在成本方面更有可能商業化。」

該論文的合著者、麻省理工學院的前博士後研究員和目前在加州大學河濱分校工作的彭偉認為，下一個研究方向將主要集中在如何控制和利用大分子粒子上。彭偉說:「在一個更通用的平臺上，如普通金屬平臺上，實際觀察大部分粒子是非常重要的，這為我們將來利用它們奠定了基礎。既然我們已經成功地做到了這一點，研究的下一個目標就是考慮如何從majorana粒子中構造量子位，我們對此有一些想法。」