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探索神秘的“天使粒子”(科技大观)

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发表于 2017-7-27 16:11:533 | 显示全部楼层 |阅读模式
探索神秘的“天使粒子”(科技大观)

张首晟

《 人民日报 》( 2017年07月27日)

  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)




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 楼主| 发表于 2017-7-27 16:12:593 | 显示全部楼层
    探索科学的奥妙!
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