要點

不久前，華人科學家在《科學》雜志上發表的關于發現手性馬約拉納費米子邊緣模的論文引起了業內的廣泛關注，而近期對論文第一作者，何慶林的采訪為我們解密了這一發現的前世今生。

如果將量子計算機比喻成一架飛機，那么我們現在普通的計算機也就是輛自行車。因此，不僅科技巨頭，甚至國家之間都展開了對量子計算機的研究競賽。目前，馬約拉納費米子是制造量子計算機的完美候選對象。而前不久，華人科學家在全世界最權威的學術期刊《科學》雜志上發表的關于發現手性馬約拉納費米子邊緣模的論文，使我們向量子計算機的這一人類革命性的夢想更加靠近。

近期，網易科技對該論文第一作者——何慶林的獨家專訪讓我們對這個一鳴驚人的研究團體有了更進一步的了解……

"天使粒子”or"太極粒子

7月21日早上開始“天使粒子”被發現的文章被各大媒體刷屏置頂。這是繼上帝粒子被發現之后，物理界又被發現的一個神秘粒子——馬約拉納費米子，而這顆粒子的發現將引發新一輪電子計算革命。論文中所描述的實驗由加州大學洛杉磯分校的王康隆團隊主導，而王康隆教授的博士后研究員何慶林又是該實驗的設計者和課題的組織者。

其實，在這篇論文發表之前的2016年，上海交通大學賈金鋒教授團隊也通過巧妙的實驗設計，觀察到證明馬約拉納費米子存在的直接證據——自旋極化電流現象。但賈金鋒教授研究的馬約拉納費米子是零維版，而何慶林的研究是馬約拉納費米子的一維版。

“從實驗上來講，目前全球還沒有一篇實驗文章能夠觀察到馬約拉納費米子的一維版。”何慶林解釋道，“這是我們本次工作的意義所在，更重要的是，我們是世界上首次觀測到馬約拉納費米子的量子化現象。”

根據何慶林的實驗數據，馬約拉納費米子像是半個電子，以馬約拉納費米子所構建的量子比特來進行信息的計算和存儲，其信息量可以存儲在兩個分離的、獨立的馬約拉納費米子中。要破壞它們所存儲的信息必須同時對這兩個粒子進行同樣的干擾。這樣的一個特性可以使拓撲量子計算和存儲過程減少外界的干擾，存儲更加穩定，計算也具有容錯的特性。

在該論文發表之后受到了很大的關注。主導該工作的加州大學洛杉磯分校教授王康隆認為，馬約拉納費米子正反同體，就像道家的陰陽八卦圖一樣，因此叫“太極粒子”可能更貼切。

同為論文作者之一的張首晟教授認為，“天使粒子”是一個完美的世界，只有天使，沒有魔鬼。因此提出這一新發現的手性馬約拉納費米子稱為“天使粒子”。

對此，作為第一作者的何慶林表示，因為從物理層面來說馬約拉納費米子陰陽同體且呈現電中性，而且此次成果主要是華人科學家的突破，所以更傾向于“太極粒子”這一富于中國哲學意味的命名。

3000多樣品的失敗 3000次重來

在論文發表之后，何慶林不僅收到了來自家人的祝福，也得到了物理科學家們的肯定。何慶林表示，此次實驗的關鍵材料之一就是量子反常霍爾效應的材料，而“量子反常霍爾效應”是由薛其坤教授帶領他的團隊于2013年首次從實驗中觀測到的。“我們此次實驗的成功，離不開前輩們的研究成果。” 何慶林說道，“特別是2013年薛老師團隊實驗上實現的量子反常霍爾效應對我們的工作起了非常重大的奠基作用。我們這次工作中也是利用了這一效應而實現了新的突破”。

其實，歐洲、美國、日本、中國很多團隊都在對馬約拉納費米子進行研究。何慶林在2015年加入王康隆教授的團隊時提議做馬約拉納費米子的研究。

之所以有這樣的提議，一是由于何慶林博士研究生的時候就對超導體、拓撲絕緣體進行了研究，比較熟悉；二是王康隆教授有一個非常大的優勢是擁有世界上一流的量子反常霍爾效應材料。而這一材料是實驗成敗的關鍵因素。

“一開始我和潘磊（共同第一作者）拿著第一批樣品，跑去美國佛羅里達高磁場國家實驗室測試。由于實驗時間十分寶貴，我們兩人一連十幾天熬夜做測試， 24小時的車輪戰。佛羅里達實驗室地處偏僻，我們每天都是吃美式快餐度過的。結果做完實驗發現數據并沒有和預期的一樣。”何慶林回憶道，“當時我們也挺懷疑人生的。”

但是，何慶林和潘磊沒有放棄，而是分析測不出結果的原因，然后將材料、結構重新改良，再去測試。由于去往佛羅里達測試距離太遠，為了提高效率，何慶林和團隊又將實驗搬到加州大學歐文分校的夏晶教授實驗室，并得到加州大學戴維斯分校的劉愷教授團隊在制備超導材料上的協助，同時，還找理論物理學家一起討論如何改進實驗，包括麻省理工大學教授Liang Fu，也就是最早提出結合拓撲絕緣體和超導體來尋找馬約拉納費米子的理論物理學家；斯坦福大學的王靖博士（現于復旦大學任教授）和廉骉博士；香港科技大學Kam Tuen Law教授；加州理工的Jason Alicea教授；馬里蘭大學的Das Sarma教授和Jay Sau教授等。“后來我和潘磊開車從UCLA來到夏教授的實驗室只要大概兩個多小時的來回車程，效率大大地提高了。”

在科研的過程中，

實驗做不出預想的結果是非常正常的。

關鍵是整理和思考出

每次實驗結果不理想的原因，

不要隨便放棄。

何慶林表示，“整個項目過程中，我的導師王教授給我們的工作提供了非常多的指導、幫助和支持。論文的其他作者都給予我很大的幫助，特別是我們UCLA團隊的車瀟雨，殷亙博士和寇煦豐博士，Alexander L. Stern和Edward C. Burks等。”他還表示，“張首晟教授團隊在這次研究項目中給予我們理論支持。他們團隊的王靖博士和廉骉博士和我們討論了這個項目中的理論，他們還撰寫了相關的理論計算”。

終于在2016年年中的時候，何慶林和團隊發現了一些比較肯定的數據證明馬約拉納費米子邊緣模的存在。因此，在反復實驗得到確切數據之后，何慶林開始著手寫論文。

“天使粒子“背后的故事讓人感慨萬千，而它的發現更是讓人類向量子計算時代邁出了一大步，為人類的共同夢想添上了濃墨重彩的一筆！

原文發布時間為：2017-03-17
本文作者：羅恩·考恩
本文來源：量子趣談，如需轉載請聯系原作者。

總結

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