王琳琳+周琳

近日，美國《科學(xué)》雜志報告說，多位華人科學(xué)家領(lǐng)銜的團(tuán)隊，首次發(fā)現(xiàn)了被稱為“天使粒子”的馬約拉那費米子的存在證據(jù)，破解了困擾物理學(xué)界整整80年的難題。

多位頂尖物理學(xué)家認(rèn)為，“天使粒子”的出現(xiàn)讓科學(xué)家終于找到了絕佳的量子計算機(jī)材料，將大幅提升現(xiàn)有計算速度和效率，進(jìn)而引發(fā)人工智能等行業(yè)的深刻變革，是一項里程碑式的發(fā)現(xiàn)。

“天使粒子”即馬約拉那費米子，是一個比已知最小物理單位量子還小的單位。

在物理學(xué)領(lǐng)域，構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子有兩大家族，費米子和玻色子。過去，物理學(xué)家認(rèn)為，每個費米子必然有其反粒子。唯獨一位名叫馬約拉那的物理學(xué)家認(rèn)為，宇宙一定有“正反同體”的粒子存在。科學(xué)家將這種“正反同體”的粒子稱作馬約拉那費米子。

80年來，物理學(xué)家為找到這種“正反同體”的粒子展開了艱辛探索。2010年至2015年，中科院外籍院士、美國斯坦福大學(xué)與清華大學(xué)教授張首晟團(tuán)隊發(fā)表了3篇論文，精準(zhǔn)預(yù)言了用什么材料的器件、怎樣的實驗方案、如何測量能夠找到“正反同體”的粒子。而后，美國加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校、美國加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校、美國加利福尼亞大學(xué)歐文分校和上?？萍即髮W(xué)等實驗團(tuán)隊依照張首晟的理論預(yù)測，成功發(fā)現(xiàn)了手性馬約拉那費米子。

張首晟將手性馬約拉那費米子命名為“天使粒子”。他說，這個靈感源于小說《天使與魔鬼》。“這部作品描述了正反粒子湮滅爆炸的場景。過去我們認(rèn)為有粒子必有其反粒子，正如有天使必有魔鬼。但今天，我們找到了一個沒有反粒子的粒子，一個只有天使、沒有魔鬼的完美世界?！?/p>

在尋找“天使粒子”的過程中，張首晟坦言，從事基礎(chǔ)科學(xué)研究，他的內(nèi)心是孤獨的?！坝袝r一個新穎的想法，大家可能根本不理解。有時，道路眼看就要到終點了，突然發(fā)現(xiàn)整個都不對，這種心情是極為痛苦的?！?/p>

該實驗設(shè)計的主要貢獻(xiàn)人、美國加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校的王康隆也說，“天使粒子”的發(fā)現(xiàn)是“偶然中的驚喜”?！拔覀冏畛醯脑O(shè)想是找到一種理想的拓?fù)浣^緣體薄膜材料，因此累積生產(chǎn)了3000多片薄膜，但在實驗過程中，我們發(fā)現(xiàn)這套設(shè)計方案非常適合觀測‘天使粒子，所以做了重新規(guī)劃?！?/p>

雖然張首晟團(tuán)隊2015年就預(yù)言，如果在磁性拓?fù)浣^緣體上面再疊加一個超導(dǎo)體，就會組成拓?fù)涑瑢?dǎo)體，由此將找到“天使粒子”，但將磁性的拓?fù)浣^緣體與超導(dǎo)體疊加并不簡單。

上?？萍即髮W(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院助理教授寇煦豐說，磁性拓?fù)浣^緣體和超導(dǎo)體這兩個材料會互相影響，要找到一個準(zhǔn)確窗口，讓這兩個對抗的材料互不干擾非常難。最終，在美國加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校和洛杉磯分校的共同努力下，合成了這種疊加器件。

經(jīng)歷了一次次無功而返和對材料參數(shù)的不斷優(yōu)化，王康隆團(tuán)隊終于抓到了機(jī)遇窗口，在電學(xué)測量實驗中成功觀測到了張首晟團(tuán)隊理論預(yù)言的“半整數(shù)量子臺階”，也是“天使粒子”存在的證據(jù)。

“第一次觀測到‘天使粒子時驚喜而振奮，這是大自然對孤獨者的獎賞！”張首晟回憶，論文送審期間，他們還在不斷復(fù)盤，確保結(jié)論經(jīng)得住檢驗。

王康隆說：“審稿人審了整整一年，他們每提出一個疑問，我們都會用30多頁紙回復(fù)。為此，我們增加了很多補(bǔ)充實驗?！?/p>

“天使粒子”的發(fā)現(xiàn)對構(gòu)建拓?fù)淞孔佑嬎銠C(jī)意義重大。世界上最快的超級計算機(jī)100年才能完成的計算量，拓?fù)淞孔佑嬎銠C(jī)0.01秒就能完成。盡管計算效率驚人，但業(yè)界認(rèn)為，量子計算距離真正應(yīng)用至少要50年，因為科學(xué)家還沒找到合適的量子計算材料。

“天使粒子”的發(fā)現(xiàn)破解了這一難題。張首晟說，量子比特很不穩(wěn)定，用它存儲信息，稍有一點干擾就會讓信息瞬間丟失。相反，“天使粒子”只有量子比特的一半，如果將兩個“天使粒子”放得遠(yuǎn)一點，它們就會變得極其穩(wěn)定，即便環(huán)境嘈雜，信息也不會丟失。

王康隆說，“天使粒子”的發(fā)現(xiàn)讓拓?fù)淞孔佑嬎阏嬲呦驊?yīng)用?！敖酉聛?，觀測并操控‘天使粒子是實現(xiàn)拓?fù)淞孔佑嬎阕罨A(chǔ)的工作。我們將著力讓兩到三個‘天使粒子織在一起，通過互相作用進(jìn)行儲存和計算?！?/p>

此外，“天使粒子”還將推動人工智能實現(xiàn)“量子的跳躍”，“人工智能的核心是算法。如果依托量子計算機(jī)開展運算，人工智能就可以將以前多個步驟才能完成的計算簡化為一步，從而最快找到最優(yōu)化解決途徑，這將引發(fā)各行業(yè)的深刻變革。”張首晟說。

在科技革命、產(chǎn)業(yè)革命加速變革的當(dāng)下，有人說，原始創(chuàng)新難上加難。為何這一次華人科學(xué)家能在西方主導(dǎo)的基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域嶄露頭角？張首晟認(rèn)為，這得益于跨界思維。

“拓?fù)涫墙?jīng)典的數(shù)學(xué)概念，絕緣體是一種材料。通常，這兩個領(lǐng)域的科學(xué)家會在各自的領(lǐng)域內(nèi)思考問題，采用窮舉法，把每種可能性都試一遍，效率很低?！睆埵钻烧f，采用跨界思維，他將數(shù)學(xué)與材料學(xué)融合，很快在理論上預(yù)言了找到理想材料的方法、條件和方案。

“理論預(yù)言接連被證實啟示我們，科學(xué)研究需要進(jìn)入下一個認(rèn)知階段，告別傳統(tǒng)的窮舉法，跨界可以加速科研成果的發(fā)現(xiàn)進(jìn)程。在拓?fù)淞孔拥念I(lǐng)域，每一個材料、器件與效應(yīng)都是最先由理論預(yù)言出來的?！睆埵钻烧f。（據(jù)新華社）endprint