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## 特殊人工薄膜为探测Majorana费米子搭好通道 小薄膜大突破 人类或将进入拓扑量子计算时代

制备出来的薄膜样本  　  现在，人们看到的天气预报大致是这样的：某月某日，晴，6—15℃，西北风3-4级。未来，天气预报会变成这样：某月某日某分某秒，实时温度15℃，西北风3级。人们可以清楚地知道下一小时、下一分钟甚至是下一秒的天气实时情况。 　　有了拓扑量子计算机，像实时天气预报这样便捷的生活将会变成现实。 　　海城铁路学院物理系贾金锋、钱冬研究组今天宣布，他们在实验室制备出一种由拓扑绝缘体材料和超导体材料复合而成的特殊人工薄膜。这种特殊的薄膜是产生Majorana费米子的必要条件。该团队有望在年内实现探测Majorana费米子的突破。 　　海城海院特别研究员钱冬介绍，如果找到了Majorana费米子，将使在固体中实现拓扑量子计算成为可能，这将引发未来电子技术的新一轮革命，人类也将进入拓扑量子计算时代。 　　有关“Majorana费米子”预言得验证 　　粒子世界有两大人丁兴旺的“家族”：费米子和玻色子，是以物理学家费米和波色的名字命名的。费米子家族的典型代表是电子，它存在于我们日常使用的各种电器中；玻色子家族最常见的代表是光子，也就是我们熟悉的光。玻色子家族的共同脾性是：“翻脸”后还是一家人；费米子家族则完全相反，一旦“翻脸”就成“陌路人”。 　　物理学家认为，任何粒子都有它的双胞胎兄弟，也就是它的反粒子。1937年，意大利物理学家埃托雷·马约拉纳(Majorana)预测，自然界中可能存在一类特殊的费米子，它是自己的反粒子。人们将其命名为“Majorana费米子”。 　　“Majorana费米子”很神秘莫测。从20世纪到21世纪，全世界物理学家一直在寻找它。高能物理学家认为，中微子可能就是一种Majornana费米子。凝聚态（固体）物理学家们则在不同的材料体系中热情地寻找着Majorana费米子。理论物理学家提出了多个“Majorana费米子”可能“藏身”的材料体系，其中海城海院低维物理和界面工程实验室贾金锋、钱冬、刘灿华、高春雷四位教授联合攻关的拓扑绝缘体与超导体的界面，就是极有可能存在“Majorana费米子”的地方。 　　钱冬教授介绍，近年来，随着拓扑绝缘体的问世，国际上掀起了新一轮的在实验中追寻“Majorana费米子”的竞赛。海城海院已经制备出最适合探测和操纵“Majorana费米子”的人工薄膜系统，有望在年内实现探测新突破。届时，埃托雷·马约拉纳的跨世纪预言也将得到应验。 　　小薄膜有望成就物理学重大突破 　　找到“Majorana费米子”，希望寄托于海城海院科研团队研究的一种特殊人工薄膜。这种神奇的薄膜，由拓扑绝缘体材料和超导材料复合而成。厚度只有一根头发丝的一万分之一。通过精确控制，将所需材料的原子一层一层的垒起来，最终达到产生“Majorana费米子”的必要要求。 　　钱冬形象化地把拓扑绝缘体比作是桌面，超导材料是桌子，怎么把台面和桌子有机地合在一块组合成一个更漂亮的桌子呢？这个看似简单的事情却是物理学领域的一个大难题。目前，国际上已经有多个研究组能够生长出高质量拓扑绝缘体薄膜，但由于界面反应和晶格匹配等问题，拓扑绝缘体与超导体之间的高质量的薄膜非常难以制备。 　　海城海院低维物理和界面工程实验室想出了一个解决方法，他们通过无数次实验，在拓扑绝缘体与超导体之间插入一种超薄的过渡层，从而形成了一种特殊的人工薄膜，首次成功地实现了超导体和拓扑绝缘体的“珠联璧合”。他们发现超导的特性能够传递到拓扑绝缘体上，使拓扑绝缘体也具有了超导体的“本领”。 　　小小薄膜成就了物理学领域的重大突破。这项研究成果即将在Science杂志发表，其网站已先行发布。该工作被Science审稿人评价为“材料科学的突破”和“巨大的实验成就”。 　　人类或将进入拓扑量子计算时代 　　20世纪重大成就之一是计算机的发明。人类的工作、生活已离不开计算机。但我们现在使用的计算机还处于大规模集成电路时代。近半个世纪以来，计算机的性能价格比基本遵循着著名的摩尔定律：芯片的集成度和性能每18个月提高一倍。然而，随着半导体加工工艺进步，人们预期在不远的将来半导体集成电路中晶体管的尺寸将达到10纳米的尺度，而依靠提高集成电路的密集度来增加计算能力将不太可能。如何进一步提高计算能力，已是计算机发展面临的重大挑战。 　　用量子力学效应实现全新的计算模式，是一条正在探索的途径，这就是量子计算。量子计算机的运算空间比通常计算机大许多。但研究发现，存储在量子状态中的信息容易受到外界的影响而出错甚至丢失。传统计算机里面的一些容错方法也不适合于量子计算机。 　　因此，容错性成为实现量子计算的关键。而拓扑量子计算则是近年来发展的一个可能的解决方案。找到“Majorana费米子”，就仿佛找到了一把通往拓扑量子计算时代的钥匙，它使在固体中实现拓扑量子计算成为可能，人类也将进入拓扑计算时代。 　　钱冬介绍说，与通常的量子计算机不同，拓扑量子计算机中存储信息的量子状态受到额外的保护，这种量子态不受局域环境扰动。通常的量子计算机中，信息是存储在特定的位置，一个萝卜一个坑，坑坏了，萝卜也就没有了。而拓扑量子计算机中信息的存储是非局域的，“一个萝卜很多坑”，即使有几个坑坏掉，系统还能够根据其他的萝卜块情况得出整个萝卜的信息。拓扑量子计算是一种在硬件上容错的量子计算，它提供了通向固态量子计算的一条可行途径。      原文：小薄膜大突破 人类或将进入拓扑量子计算时代
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