科學(xué)家拍攝了一種名為馬約拉納費(fèi)米子的奇異量子粒子圖像，這種粒子可以作為未來量子位元的一塊基石，并最終實(shí)現(xiàn)量子計算機(jī)，其研究發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上。

50多年前，英特爾(Intel)前首席執(zhí)行官戈登?摩爾(Gordon Moore)發(fā)現(xiàn)，電腦芯片上的晶體管數(shù)量每隔18至24個月就會翻一番。這一趨勢，現(xiàn)在被稱為摩爾定律，一直延續(xù)到今天，導(dǎo)致晶體管只有幾納米（一米的十億分之一）。

在這個尺度上，構(gòu)成當(dāng)前計算機(jī)工作基礎(chǔ)的經(jīng)典物理定律不再發(fā)揮作用，取而代之的是量子力學(xué)定律。因此，將晶體管做得更小是不可能的了。過去，晶體管曾被用于提高計算速度和數(shù)據(jù)存儲。除非研究人員能弄清楚如何使用量子力學(xué)作為下一代計算機(jī)的新基礎(chǔ)。這是理查德·費(fèi)曼1982年提出的基本觀點(diǎn)。費(fèi)曼是20世紀(jì)最有影響力的理論物理學(xué)家之一。人們不會使用經(jīng)典的計算機(jī)比特來存儲以0和1編碼信息，而是會設(shè)計出“量子比特”（量子位）。

利用量子力學(xué)定律來存儲0到1之間的任何數(shù)字，從而成倍地提高計算速度，并促使量子計算機(jī)的誕生。UIC的物理學(xué)教授，也是這篇論文的通訊作者德克·莫爾(Dirk Morr)說：通常，當(dāng)你放下手機(jī)時，它不會刪除你手機(jī)上的信息，這是因為以1和0為單位存儲信息的芯片相當(dāng)穩(wěn)定。把1變成0需要很多時間，反之亦然。然而，在量子計算機(jī)中，由于量子位元有無限種可能的狀態(tài)，信息更容易丟失。為了形成更強(qiáng)更可靠的量子位元，研究人員求助于馬約拉納費(fèi)米子(一種成對出現(xiàn)的量子粒子)。

每量子位只需要一個馬約拉納費(fèi)米子，所以必須把它們分開。通過從一對馬約拉納費(fèi)米子構(gòu)建量子位元，只要馬約拉納費(fèi)米子保持足夠遠(yuǎn)的距離，信息就可以被可靠地編碼。為了實(shí)現(xiàn)這種分離，并“成像”單個馬約拉納費(fèi)米子，有必要創(chuàng)建一個“拓?fù)涑瑢?dǎo)體”：一個既能傳導(dǎo)電流而又不損失任何能量的系統(tǒng)，同時又被綁在一個“拓?fù)浣Y(jié)”上。這個拓?fù)浣Y(jié)就像甜甜圈上的洞：可以把甜甜圈變形成一個咖啡杯，但如果你想破壞這個洞，必須做一些非常戲劇性的事情，比如吃甜甜圈。

為了構(gòu)建拓?fù)涑瑢?dǎo)體，科學(xué)家在超導(dǎo)體錸的表面放置了一個只有幾十納米直徑的磁性鐵原子島。研究人員曾預(yù)測，通過掃描隧道顯微鏡，應(yīng)該能夠?qū)ⅠR約拉納費(fèi)米子成像為沿著鐵原子島邊緣的一條亮線，這正是實(shí)驗組觀察到的。能夠?qū)⑦@些奇異的量子粒子形象化，使離構(gòu)建穩(wěn)定的量子位元又近了一步，最終將建成量子計算機(jī)。下一步將是弄清楚如何在量子芯片上設(shè)計這些馬約納量子位元，并操縱它們來獲得計算能力的指數(shù)增長。這將使科學(xué)家能夠解決我們今天面臨的許多問題。

博科園｜研究/來自：伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校

參考期刊《科學(xué)進(jìn)展》

DOI: 10.1126/sciadv.aAV6600

博科園｜科學(xué)、科技、科研、科普