寻找现实世界中的“MOSS”（六）：不会犯错的量子计算机

在上一篇文章中，我们了解到了“拓扑不变性”这个有趣的特性，即外界环境的局部干扰无论多么剧烈，都无法改变系统整体的拓扑性质。因此，采用具有拓扑不变性的物理载体作为量子比特，就可以构造出具有容错特性的拓扑量子计算机，从而有望在未来实现真正通用的量子计算机。

量子计算概念图（图片来源：Veer图库）

拓扑量子计算在理论上是一种近乎完美的方案，然而，要想在现实世界中寻找到具有这种神奇拓扑性质的物理载体，并不是一件容易的事情。

要想在偌大的世界中找到合适的载体，我们需要“睁大眼睛”，来重新认识我们熟悉的这个物质世界。

稳定不变的奥秘——马约拉纳费米子

一般而言，宇宙中的万物无论多么复杂，都是由两种基本粒子组成，即费米子和波色子。其中，费米子构成了各种物质，而物质之间的相互作用则由玻色子来传递。

原子示意图（图片来源：Veer图库）

这就像一些游戏中的情景一样，物质世界是由一块块的砖块（费米子）堆叠组合形成的，玻色子则是砖块之间的黏合剂，二者相互作用，筑起世界之墙。

费米子就像组成世界的砖块，而玻色子则是砖块之间的黏合剂（图片来源：Veer图库）

也就是说，构建物质世界的基本单元是费米子，而波色子负责告诉费米子如何传递相互作用，从而组成丰富多彩的物质世界。因此，我们要想在物质世界中寻找到合适的物理载体，从而具有拓扑不变性，就需要将搜索的范围缩小到“特殊的”费米子（具有拓扑不变性的费米子）上（而不是波色子），从而现可容错的拓扑量子计算。

早在1937年，意大利物理学家马约拉纳（Majorana）在进行理论计算时就意外地发现，存在一种特殊的费米子具有拓扑不变性。这种新奇的基本粒子因此被称为“马约拉纳费米子”。

意大利物理学家马约拉纳（Majorana）（图片来源：Wikipedia）

自从“马约拉纳费米子”的概念被提出以来，无数的物理学家夜以继日地在实验中寻找它的蛛丝马迹。

直到2017年，华裔物理学家张首晟才首次发现了马约拉纳费米子存在的证据。遗憾的是，人们至今没有找到它。

因此，物理学家们不得不再次思考，如何才能找到与马约拉纳费米子具有相似拓扑不变性的物理载体呢？

终于找到你，马约拉纳零能模

为了实现拓扑量子计算，物理学家们可谓绞尽脑汁。尽管至今仍未发现马约拉纳费米子，但幸运的是，物理学家们终于找到了具有类似性质的“马约拉纳零能模 (Majorana zero mode)”。

超导材料中的马约拉纳零能模 (Majorana zero mode)（图片来源：参考文献[1]）

其实，“马约拉纳零能模”这一概念并不神秘，我们从名字就可以猜到，它是与马约拉纳费米子具有类似拓扑不变性的一种零能量的模式。也就是说，“马约拉纳零能模”是在某种特定的激发状态下存在的能量模式。

“马约拉纳零能模”之所以具有拓扑不变性，是因为这种能量模式下可以激发出等量的正反粒子。而正反粒子相遇后就会相互湮灭，从而形成中性的准粒子，从而具有与马约拉纳费米子类似的拓扑不变性。