斯坦福大学华人教授张首晟探索神秘“天使粒子”

　　我们似乎生活在一个充满正反对立的世界：有正数必有负数，有存款必有负债，有阴必有阳，有天使也有恶魔。宇宙的最小物质组成部分——基本粒子也是一样。1928年，英国理论物理学家狄拉克曾做出惊人的预言：宇宙中每一个基本粒子必然有其相对应的反粒子。

　　几年后，科学家在宇宙射线中发现与电子相反的正电子，验证了这一预言。根据爱因斯坦E=mc2的质能公式，当一个粒子遇上它的反粒子时，它们会相互湮灭从而释放出巨大能量。丹·布朗的小说及其电影《天使与魔鬼》，就描述过这样的正反粒子湮灭爆炸的场景。

　　自此，宇宙中有粒子必有其反粒子，被认为是永恒不变的真理。但是，宇宙中会不会还存在着这样一类粒子：它们没有反粒子，或者说其自身就是自己的反粒子？1937年，意大利理论物理学家埃托雷·马约拉纳猜测，这种神奇的粒子可能存在，这也就是我们今天所称的马约拉纳费米子。此后，诸多物理学家将寻找这种粒子奉为物理学研究的一项崇高目标。物理学中有一份表单，囊括了人类梦寐以求的神秘粒子，其中就包括马约拉纳费米子。

　　2010至2015年间，笔者与团队曾预测了找到马约拉纳费米子的途径，并指出哪些实验信号能够作为证据。根据理论预测，笔者的团队与来自加利福尼亚大学的其他三个实验团队合作，最终发现了手性(一维空间单向运动)马约拉纳费米子。类比丹·布朗所描述的正反粒子湮灭爆炸的小说《天使与魔鬼》，笔者提出将新发现的手性马约拉纳费米子称为“天使粒子”。这一发现已发表在近期的《科学》杂志上。

　　“天使粒子”的发现，有望为构造稳固的拓扑量子计算机提供更多可能性。量子世界本质上是并行的，因此量子计算机能够进行高度并行的量子计算，远比经典计算机有效。例如，在一个高难度的计算问题上，传统计算机只能运用穷举法，逐一列出可能项并加以计算，而量子计算机则可以同时完成所有可能项的计算。然而，一个量子比特(量子信息的基本单位)的信息非常难以存储，微弱的环境噪声都能够毁灭其量子特性。

　　由于“天使粒子”没有反粒子，或者说它相当于半个传统粒子，这便提供了一种绝妙的可能：我们可以将一个量子比特一分为二、存储在两个距离十分遥远的“天使粒子”上。传统的噪声只有在同一时间、又以同样的方式影响这两个“天使粒子”，才能毁灭所存储的量子信息，而这是极其难以实现的。因此，通过这样的方式存储在远距离“天使粒子”上的量子比特，本质上极其稳固。有了这一发现，未来真正有效的量子计算将有望成为现实。

　　当然，从基本科学发现到技术应用往往需要多年时间，但是笔者对于“天使粒子”所在的量子天堂充满了兴奋与期待：拓扑量子计算能够解决当下人类面临的一些最艰难的问题，继而创造一个更加美好的世界。(作者为美国斯坦福大学终身教授张首晟)