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量子运算有望再突破,麻省理工学院在黄金表面观察到成对的马约拉纳费米子

2024-11-02 217


多年以来,科学家都在寻找马约拉纳费米子(Majorana fermions),最近麻省理工学院(MIT)物理学家在一种常见金属表面观察到马约拉纳费米子存在的证据:黄金。由于这是马约拉纳费米子首次被观察到出现在可以扩大规模的平台,科学家认为,这将有助于量子运算技术发展。

在量子力学中,粒子被分为玻色子(boson)和费米子两大种,日常物质的关键元素:电子、质子、中子都被归类在费米子,而费米子又可以被分为 3 种类型:不带质量的外尔费米子(Weyl fermion)、带质量的狄拉克费米子(Dirac fermions)与反粒子即为自身的马约拉纳费米子。

1937 年时,意大利理论物理学家 Ettore Majorana 首次提出马约拉纳费米子存在的理论,在那之后的数十年间,科学家便一直在寻找这传说中的神秘粒子。

过去几年间,陆续有一些科学家都在半导体中找到马约拉纳费米子存在的证据,但一直都无法 100% 证明,同时基于半导体的装置也让马约拉纳费米子难以扩大制造。

在《美国国家科学院院刊》(PNAS)的最新论文中,麻省理工学院团队在自行设计、制造的材料系统中观察到马约拉纳费米子存在的证据,团队认为,这是打造稳定、防错的量子位元的重要一步。

麻省理工学院设计的材料平台由超导材料钒(V)及覆盖的金奈米线组成,上面还散布着细小、铁磁化的硫化亚铕(EuS)“小岛”,当研究人员扫描这些岛屿附近的表面时,探测到能量接近 0 的讯号峰值──根据理论,这种峰值只会由一对马约拉那费米子产生。

麻省理工学院物理系资深研究人员 Jagadeesh Moodera 表示,马约拉纳费米子一直是人们梦寐以求的东西,而现在团队用一种非常简单的材料就成功看到它们。“我们证明它们就在那里,稳定且易于拓展”。

如果可以妥善运用,马约拉纳费米子将会是理想的量子位元。这个概念是,一个量子位元由成对的马约拉纳费米子组成,每个粒子都与另一半分开,如果量子噪音影响该对中的一个,另一个应能不受影响,保持量子位元的完整性并正确执行计算。

与基于半导体的传统方法相比,团队的设置明显更是易于实现且稳定,研究人员认为,这项研究对未来量子运算技术的发展将有许多帮助。

“看到成对的马约拉纳费米子是一项重要发现。下个目标是使用这些粒子真的打造一个量子位元,现在我们对如何做到这点已经有些想法。”

  • First sighting of mysterious Majorana fermion on a common metal

(首图来源:shutterstock)

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  • 抢夺“量子霸权”,科技巨头把量子电脑带出实验室
2020-04-16 02:08:00

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