大自然對(duì)孤獨(dú)者的獎(jiǎng)賞
——揭秘“天使粒子”發(fā)現(xiàn)的背后

文/王琳琳 周 琳

大自然對(duì)孤獨(dú)者的獎(jiǎng)賞
——揭秘“天使粒子”發(fā)現(xiàn)的背后

文/王琳琳 周 琳

近日，美國(guó)《科學(xué)》雜志報(bào)告說(shuō)，多位華人科學(xué)家領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)，首次發(fā)現(xiàn)了被稱為“天使粒子”的馬約拉那費(fèi)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(jì)算機(jī)材料，將大幅提升現(xiàn)有計(jì)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(xiàng)里程碑式的發(fā)現(xiàn)。

“天使粒子”：正反同體，比量子還小

“天使粒子”：正反同體，比量子還小

“天使粒子”即馬約拉那費(fèi)米子，是一個(gè)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(fèi)米子和玻色子。過(guò)去，物理學(xué)家認(rèn)為，每個(gè)費(fèi)米子必然有其反粒子。唯獨(dú)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?？茖W(xué)家將這種“正反同體”的粒子稱作馬約拉那費(fèi)米子。

80年來(lái)，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(guó)斯坦福大學(xué)與清華大學(xué)教授張首晟團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)方案、如何測(cè)量能夠找到“正反同體”的粒子。而后，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校、美國(guó)加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校、美國(guó)加利福尼亞大學(xué)歐文分校和上海科技大學(xué)等實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)依照張首晟的理論預(yù)測(cè)，成功發(fā)現(xiàn)了手性馬約拉那費(fèi)米子。

張首晟將手性馬約拉那費(fèi)米子命名為“天使粒子”。他說(shuō)，這個(gè)靈感源于小說(shuō)《天使與魔鬼》。“這部作品描述了正反粒子湮滅爆炸的場(chǎng)景。過(guò)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(gè)沒(méi)有反粒子的粒子，一個(gè)只有天使、沒(méi)有魔鬼的完美世界?！?/p>

發(fā)現(xiàn)：偶然中的驚喜，審稿審了一年

發(fā)現(xiàn)：偶然中的驚喜，審稿審了一年

在尋找“天使粒子”的過(guò)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(dú)的?！坝袝r(shí)一個(gè)新穎的想法，大家可能根本不理解。有時(shí)，道路眼看就要到終點(diǎn)了，突然發(fā)現(xiàn)整個(gè)都不對(duì)，這種心情是極為痛苦的?！?/p>

該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的主要貢獻(xiàn)人、美國(guó)加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校的王康隆也說(shuō)，“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(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)這套設(shè)計(jì)方案非常適合觀測(cè)‘天使粒子’，所以做了重新規(guī)劃。”

雖然張首晟團(tuán)隊(duì)2015年就預(yù)言，如果在磁性拓?fù)浣^緣體上面再疊加一個(gè)超導(dǎo)體，就會(huì)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(jiǎn)單。

上海科技大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院助理教授寇煦豐說(shuō)，磁性拓?fù)浣^緣體和超導(dǎo)體這兩個(gè)材料會(huì)互相影響，要找到一個(gè)準(zhǔn)確窗口，讓這兩個(gè)對(duì)抗的材料互不干擾非常難。最終，在美國(guó)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。

王康隆（中）和研究團(tuán)隊(duì)成員在位于加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校的實(shí)驗(yàn)室（圖/科技日?qǐng)?bào)）

經(jīng)歷了一次次無(wú)功而返和對(duì)材料參數(shù)的不斷優(yōu)化，王康隆團(tuán)隊(duì)終于抓到了機(jī)遇窗口，在電學(xué)測(cè)量實(shí)驗(yàn)中成功觀測(cè)到了張首晟團(tuán)隊(duì)理論預(yù)言的“半整數(shù)量子臺(tái)階”，也是“天使粒子”存在的證據(jù)。

“第一次觀測(cè)到‘天使粒子’時(shí)驚喜而振奮，這是大自然對(duì)孤獨(dú)者的獎(jiǎng)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(yàn)。

王康隆說(shuō)：“審稿人審了整整一年，他們每提出一個(gè)疑問(wèn)，我們都會(huì)用30多頁(yè)紙回復(fù)。為此，我們?cè)黾恿撕芏嘌a(bǔ)充實(shí)驗(yàn)?！?/p>

應(yīng)用：讓拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)走出“紙面”

應(yīng)用：讓拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)走出“紙面”

“天使粒子”的發(fā)現(xiàn)對(duì)構(gòu)建拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)意義重大。世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)100年才能完成的計(jì)算量，拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)0.01秒就能完成。盡管計(jì)算效率驚人，但業(yè)界認(rèn)為，量子計(jì)算距離真正應(yīng)用至少要50年，因?yàn)榭茖W(xué)家還沒(méi)找到合適的量子計(jì)算材料。

“天使粒子”的發(fā)現(xiàn)破解了這一難題。張首晟說(shuō)，量子比特很不穩(wěn)定，用它存儲(chǔ)信息，稍有一點(diǎn)干擾就會(huì)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(gè)“天使粒子”放得遠(yuǎn)一點(diǎn)，它們就會(huì)變得極其穩(wěn)定，即便環(huán)境嘈雜，信息也不會(huì)丟失。

王康隆說(shuō)，“天使粒子”的發(fā)現(xiàn)讓拓?fù)淞孔佑?jì)算真正走向應(yīng)用?！敖酉聛?lái)，觀測(cè)并操控‘天使粒子’是實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑?jì)算最基礎(chǔ)的工作。我們將著力讓兩到三個(gè)‘天使粒子’織在一起，通過(guò)互相作用進(jìn)行儲(chǔ)存和計(jì)算?！?/p>

此外，“天使粒子”還將推動(dòng)人工智能實(shí)現(xiàn)“量子的跳躍”，“人工智能的核心是算法。如果依托量子計(jì)算機(jī)開展運(yùn)算，人工智能就可以將以前多個(gè)步驟才能完成的計(jì)算簡(jiǎn)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(shuō)。

啟示：傳統(tǒng)科學(xué)方法論應(yīng)當(dāng)變革

啟示：傳統(tǒng)科學(xué)方法論應(yīng)當(dāng)變革

在科技革命、產(chǎn)業(yè)革命加速變革的當(dāng)下，有人說(shuō)，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(gè)領(lǐng)域的科學(xué)家會(huì)在各自的領(lǐng)域內(nèi)思考問(wèn)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(shuō)，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(shí)啟示我們，科學(xué)研究需要進(jìn)入下一個(gè)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(gè)材料、器件與效應(yīng)都是最先由理論預(yù)言出來(lái)的。”張首晟說(shuō)。（據(jù)新華社）※