上海交大科研团队制备出特殊人工薄膜年内有望探测到Majorana费米子

　　人类或将进入拓扑量子计算时代

　　现在，人们看到的天气预报大致是这样的：某月某日，晴，615℃，西北风3-4级。

　　未来，人们看到的天气预报会变成这样：某月某日某分某秒，实时温度15℃，西北风3级。人们可以清楚地知道下一小时、下一分钟，甚至是下一秒的天气实时情况。

　　这种超给力的天气预报会变成现实吗？答案是：有了拓扑量子计算机，像实时天气预报这样便捷的生活都将变成现实。

　　上海交大物理系贾金锋、钱冬研究组对外宣布：由他们领衔的科研团队在实验室制备出一种由拓扑绝缘体材料和超导体材料复合而成的特殊人工薄膜。这种特殊的薄膜是产生Majorana费米子的必要条件。上海交大科研团队有望在年内实现探测Majorana费米子的突破。

　　上海交大特别研究员钱冬介绍，如果找到了Majorana费米子，将使在固体中实现拓扑量子计算成为可能，这将引发未来电子技术的新一轮革命，人类也将进入拓扑量子计算时代。

　　跨世纪预言将得到应验

　　在解释这个跨世纪的预言之前，我们需要先弄明白粒子的两个家族。

　　粒子可以分成两大种类，费米子和玻色子。是以物理学家费米和玻色的名字命名。打个比方，粒子家族有两户人家，两家人都是人丁兴旺。一户姓费，叫费米子，费米子家的典型代表是电子，它存在于我们日常使用的各种电器中。而玻色子家的最常见的代表是光子，也就是我们熟悉的光。玻色子这户人家有一个共同的脾性是：翻脸后还是一家人；而费米子这家则完全相反，它们翻脸后，就成了陌路人。

　　物理学家认为，任何粒子都有它的双胞胎兄弟，也就是它的反粒子。著名华裔物理学家，诺贝尔奖获得者丁肇中教授就一直在寻找由反粒子组成的反物质。正反物质碰到一起，就会一起消失，变成光。20世纪30年代，也就是1937年，意大利物理学家埃托雷马约拉纳(Majorana)预测，自然界中可能存在一类特殊的费米子，它是自己的反粒子，自己是自己的双胞胎兄弟。人们就给它起了个名字叫Majorana费米子。

　　Majorana费米子很神秘莫测。从20世纪到21世纪，全世界的物理学家一直在寻找它，找了快八十年了。高能物理学家认为，中微子可能就是一种Majornana费米子。上海交大的高能物理学家们也正在紧锣密鼓地从事这方面的研究。而凝聚态（固体）物理学家们则在不同的材料体系中热情地寻找着Majorana费米子。

　　理论物理学家已经提出了多个Majorana费米子可能藏身的材料体系，其中上海交大低维物理和界面工程实验室贾金锋、钱冬、刘灿华、高春雷四位教授联合攻关的拓扑绝缘体与超导体的界面就是极有可能存在Majorana费米子的地方。

　　钱冬介绍，近年来，随着拓扑绝缘体的问世，国际上掀起了新一轮的在实验上追寻Majorana费米子的竞赛。上海交大已经制备出最适合探测和操纵Majorana费米子的人工薄膜系统，有望在年内实现探测Majorana费米子的突破。

　　众里寻她千百度。离找到这个Majorana费米子日子不远了，届时，埃托雷马约拉纳的跨世纪预言也将得到应验。

　　小薄膜成就物理学重大突破

　　那么，究竟是什么薄膜有如此神通，能够帮助人们找到Majorana费米子？

　　据介绍，这种特殊的薄膜，由拓扑绝缘体材料和超导材料复合而成。厚度只有一根头发丝的一万分之一。通过精确控制，将所需材料的原子一层一层的垒起来，最终达到产生Majorana费米子的必要要求。

　　钱冬给记者举了一个例子。想像一下，在我们面前放了一张桌子，桌面上要做上一个贵重的台面，把拓扑绝缘体看作是台面，把超导材料看作是桌子，怎么把台面和桌子有机地合在一块组合成一个更漂亮的桌子？这个看似简单的事情却是物理学领域的一个大难题。目前，国际上已经有多个研究组能够生长出高质量拓扑绝缘体薄膜，但由于界面反应和晶格匹配等问题，拓扑绝缘体与超导体之间的高质量的薄膜非常难以制备。

　　上海交大低维物理和界面工程实验室想出了一个解决方法，他们通过无数次实验，在拓扑绝缘体与超导体之间插入一种超薄的过渡层，从而形成了一种特殊的人工薄膜，首次成功地实现了超导体和拓扑绝缘体的珠联璧合。他们发现超导的特性能够传递到拓扑绝缘体上，使拓扑绝缘体也具有了超导体的本领。

　　小小薄膜成就了物理学领域的重大突破。这项研究成果即将在Science杂志发表，目前网站已先行发布(http://www.sciencemag.org/content/early/2012/03/14/science.121***66

　　Published Online March 15 2012)。该工作被Science审稿人评价为材料科学的突破（a breakthrough）和巨大的实验成就（a tremendous experimental feat）。

　　人类或将进入拓扑量子计算时代

　　20世纪重大成就之一是计算机的发明。人类的工作、生活已离不开计算机。然而计算机的发展正在面临着一个重大挑战。我们现在使用的计算机还处于大规模集成电路时代。

　　近半个世纪以来，计算机的性能价格比基本遵循着著名的摩尔定律：芯片的集成度和性能每18个月提高一倍。摩尔定律的成功维持得益于高器件密集度的大规模半导体集成电路的发展。

　　钱冬介绍，随着半导体加工工艺的进一步发展，人们预期在不远的将来半导体集成电路中晶体管的尺寸将达到10纳米的尺度。在这么小的尺度下，依靠提高集成电路的密集度来增加计算能力已不太可能。然而，人类对高速计算能力的需求并没有因为集成密度无法增加而减缓。因此，从如何进一步提高计算能力是对基础物理研究的一个重大挑战。

　　用量子力学效应实现全新的计算模式，是一条正在探索的途径，这就是量子计算。在量子计算机中，信息存储在特殊的量子状态中，这些量子信息的存储、调控和传输是基于量子力学的基本原理来实现的。

　　据介绍，量子计算机的运算空间比通常计算机大许多。但过去的研究让科学家认识到另外一个重要问题，存储在量子状态中的信息容易受到外界的影响而出错甚至丢失。传统计算机里面的一些容错方法也不适合于量子计算机。

　　容错性成为实现量子计算的关键。全世界都在朝这个方向努力。其中，一种特殊的量子计算机方案拓扑量子计算是近年来发展的一个可能的解决方案。如果人类找到了Majorana费米子，就仿佛找到了一把通往拓扑量子计算时代的钥匙，因为它使在固体中实现拓扑量子计算成为可能，人类也将进入拓扑计算时代。

　　钱冬告诉记者，与通常的量子计算机不同，拓扑量子计算机中存储信息的量子状态受到额外的保护，这种量子态不受局域环境扰动。通常的量子计算机中，信息是存储在特定的位置，一个萝卜一个坑，坑坏了，萝卜也就没有了。而拓扑量子计算机中信息的存储是非局域的，它储存在系统整体中。通俗的来说，就好比将一个萝卜分成很多份，放在很多坑里面。即使有几个坑坏掉，系统还能够根据其他的萝卜块情况得出整个萝卜的信息。只需要考虑整体信息，不需要关注具体细节，这也是称作拓扑的原因。拓扑量子计算是一种在硬件上容错的量子计算，它提供了通向固态量子计算的一条可行的途径。