麻省理工学院的团队首次在金中发现了马略纳粒子,为高容错量子计算机的发展做出了贡献
麻省理工学院的物理学家成功地观察到了普通金属——“金”(即金中的金)表面的多数粒子,证明了它的存在。这为高“容错”量子计算机的发展开辟了新的可能性。这项研究发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。
费米子是物理学中的基本粒子。所有自旋为1/2的粒子,如电子、质子和中子,实际上都被归类为费米粒子。费米粒子的概念首先由英国物理学家保罗·狄拉克提出,他认为宇宙中每个费米粒子都有一个反粒子。
后来,在1937年,意大利物理学家奥托刀·马略纳进一步发展了这一理论,认为费米粒子中的一些粒子,也就是我们所说的马略纳粒子,在各种性质上与它们的反粒子没有区别。这在后来掀起了一股在物理学界寻找大粒子的热潮,甚至一直持续到现在。
先前的理论认为中微子是主要粒子之一,但是没有经验证据。此外,也有理论认为,在某些特殊条件下,固体中可能会观察到大分子粒子。然而,麻省理工学院的这项研究提供了证据。
照片|在这项研究中,概念图的大部分粒子想象在“金”的表面。(来源:股票图片)
在本研究中,设计并培养了生长在超导材料“钒”上的纳米金导线,通过检测金导线上表面的电导率来确定材料的超导区域,然后观察分布在金导线上的“磁性”微硫化铕(EUR鸦片硫化物),其磁性能可提供磁场以产生大核粒子“胰岛”,最后在能谱中成功检测到代表“大核粒子的存在”的近零能量特征信号。
麻省理工学院物理系高级研究员贾加迪什·穆德拉(Jagadeesh Moodera)说:“很长一段时间以来,我们一直在尝试各种方法来实际检测实验中存在的主要粒子,现在我们已经这样做了,并证明它们可以很容易地以稳定的方式扩展。”
该论文的合著者、麻省理工学院的李雅达认为,鉴于他们的成功发现,在一定程度上,他们已经探索了量子计算机中量子比特的下一个研究方向“大分子粒子的可扩展性”。
在量子计算机的研发过程中,有人提出了“把多数粒子当作量子位”的思想,即一个量子位由一对多数粒子组成,计算中可能出现的“噪声”只会影响两个多数粒子中的一个,从而使另一个正常工作,避免量子计算机受到“噪声”的影响而继续计算。
然而,尽管人们一直在试图寻找可能由半导体或超导材料中的材料超导性引起的粒子分裂而产生的大分子粒子,并且就在本研究发表之前,科学家们很难根据量子计算所需的比例在材料的生长过程中扩大这种超导材料的尺寸,以便真正观察大分子粒子并加以利用。
大约10年前,当李雅达带着一个研究生去做一个项目时,他想出了一个主意,“也许我们也可以试着从普通的类金属材料中找到大部分纳米粒子”。这一想法背后的逻辑是,当金属与超导体相邻时,就会变成超导的。在实验中,科学家经常将包括金在内的各种金属制成超导材料。如果我们能把金制成超导材料,并通过检测其表面(材料的顶层)的原子状态,金就可以作为一个“干净”的精确原子系统来检测主要粒子的存在与否。然而,根据贾加迪什·穆德拉先前对铁磁性绝缘体的研究,如果这种绝缘体被放置在超导金的表面,研究人员很可能会发现其中存在大分子粒子的证据,这最终将发现这一点的李雅达和贾加迪什·穆德拉带到了一起。
贾加迪什·穆德拉说:“除了发现主要粒子的存在,另一个值得注意的地方是,这项研究中的材料制备方法比传统的‘基于半导体产生量子位’的方法更稳定。这种材料本身只是一种“三明治”结构,在这种结构中,金被放置在铁磁性材料和超导体之间,这也使得它在成本方面更有可能商业化。”
该论文的合著者、麻省理工学院的前博士后研究员和目前在加州大学河滨分校工作的彭伟认为,下一个研究方向将主要集中在如何控制和利用大分子粒子上。彭伟说:“在一个更通用的平台上,如普通金属平台上,实际观察大部分粒子是非常重要的,这为我们将来利用它们奠定了基础。既然我们已经成功地做到了这一点,研究的下一个目标就是考虑如何从majorana粒子中构造量子位,我们对此有一些想法。”
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