探索神秘的“天使粒子”

張首晟

探索神秘的“天使粒子”

張首晟

“天使粒子”被發(fā)現(xiàn)后，各大媒體爭相報道，甚至有誤傳說它就是“準(zhǔn)粒子”。事實上，就連科研團(tuán)隊本身，都未曾聲稱找到 “馬約拉納費米子”，而是將之稱為“馬約拉納費米子模”，一字之差，大有文章。以下援引張首晟教授發(fā)表在2017年07月27日《 人民日報 》22版上的署名文章，以正視聽。

我們所探求的方程式就是大自然的詩歌。這是一首很美的詩。當(dāng)我們遇到這些濃縮精粹的結(jié)構(gòu)時，我們就會有美的感受……當(dāng)實驗數(shù)據(jù)、自然現(xiàn)象等等客觀因素與科學(xué)家的主觀情感在一個更高層次上達(dá)到和諧統(tǒng)一的時候，科學(xué)就和藝術(shù)一樣獲得了美感。

——引自于《科學(xué)中國人》雜志對張首晟教授的采訪，詳見2012年第24期。

我們似乎生活在一個充滿正反對立的世界：有正數(shù)必有負(fù)數(shù)，有存款必有負(fù)債，有陰必有陽，有天使也有惡魔。宇宙的最小物質(zhì)組成部分——基本粒子也是一樣。1928年，英國理論物理學(xué)家狄拉克曾做出驚人的預(yù)言：宇宙中每一個基本粒子必然有其相對應(yīng)的反粒子。

幾年后，科學(xué)家在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)與電子相反的正電子，驗證了這一預(yù)言。根據(jù)愛因斯坦E=mc的質(zhì)能公式，當(dāng)一個粒子遇上它的反粒子時，它們會相互湮滅從而釋放出巨大能量。丹·布朗的小說及其電影《天使與魔鬼》，就描述過這樣的正反粒子湮滅爆炸的場景。

自此，宇宙中有粒子必有其反粒子，被認(rèn)為是永恒不變的真理。但是，宇宙中會不會還存在著這樣一類粒子：它們沒有反粒子，或者說其自身就是自己的反粒子？1937年，意大利理論物理學(xué)家埃托雷·馬約拉納猜測，這種神奇的粒子可能存在，這也就是我們今天所稱的馬約拉納費米子。此后，諸多物理學(xué)家將尋找這種粒子奉為物理學(xué)研究的一項崇高目標(biāo)。物理學(xué)中有一份表單，囊括了人類夢寐以求的神秘粒子，其中就包括馬約拉納費米子。

2010至2015年間，筆者與團(tuán)隊曾預(yù)測了找到馬約拉納費米子的途徑，并指出哪些實驗信號能夠作為證據(jù)。根據(jù)理論預(yù)測，筆者的團(tuán)隊與來自加利福尼亞大學(xué)的其他3個實驗團(tuán)隊合作，最終發(fā)現(xiàn)了手性（一維空間單向運動）馬約拉納費米子。類比丹·布朗所描述的正反粒子湮滅爆炸的小說《天使與魔鬼》，筆者提出將新發(fā)現(xiàn)的手性馬約拉納費米子稱為“天使粒子”。這一發(fā)現(xiàn)已發(fā)表在近期的《科學(xué)》雜志上。

“天使粒子”的發(fā)現(xiàn)，有望為構(gòu)造穩(wěn)固的拓?fù)淞孔佑嬎銠C(jī)提供更多可能性。量子世界本質(zhì)上是并行的，因此量子計算機(jī)能夠進(jìn)行高度并行的量子計算，遠(yuǎn)比經(jīng)典計算機(jī)有效。例如，在一個高難度的計算問題上，傳統(tǒng)計算機(jī)只能運用窮舉法，逐一列出可能項并加以計算，而量子計算機(jī)則可以同時完成所有可能項的計算。然而，一個量子比特（量子信息的基本單位）的信息非常難以存儲，微弱的環(huán)境噪聲都能夠毀滅其量子特性。

由于“天使粒子”沒有反粒子，或者說它相當(dāng)于半個傳統(tǒng)粒子，這便提供了一種絕妙的可能：我們可以將一個量子比特一分為二、存儲在兩個距離十分遙遠(yuǎn)的“天使粒子”上。傳統(tǒng)的噪聲只有在同一時間、又以同樣的方式影響這兩個“天使粒子”，才能毀滅所存儲的量子信息，而這是極其難以實現(xiàn)的。因此，通過這樣的方式存儲在遠(yuǎn)距離“天使粒子”上的量子比特，本質(zhì)上極其穩(wěn)固。有了這一發(fā)現(xiàn)，未來真正有效的量子計算將有望成為現(xiàn)實。

當(dāng)然，從基本科學(xué)發(fā)現(xiàn)到技術(shù)應(yīng)用往往需要多年時間，但是筆者對于“天使粒子”所在的量子天堂充滿了興奮與期待：拓?fù)淞孔佑嬎隳軌蚪鉀Q當(dāng)下人類面臨的一些最艱難的問題，繼而創(chuàng)造一個更加美好的世界。