寻找现实世界中的“MOSS”(六):不会犯错的量子计算机

发布:2023-09-11 08:20 · 安静

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。

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