中国科学家向新型量子计算迈出重要一步

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2021年8月底的一个深夜，北四环上没有了白天的喧嚣。中国科学院物理研究所的灯还亮着，实验室里静得只剩下呼吸声。

在一个裹着银色锡纸的仪器边，副研究员李更等待着实验结果。

几乎就在一瞬间，困意彻底远离了他。电脑屏幕上，原本应该平整的四方图案上，出现了竖向的波纹，条纹中还穿插着斜向的条纹。

研究组最初看到的奇特波纹（双轴电荷密度波）形貌（中科院物理所供图）

6月8日，《自然》杂志发表了由这个意外发现引发的新成果：中国科学家在铁基超导材料锂铁砷（LiFeAs）中，观测到大面积、高度有序、可调控的马约拉纳准粒子格点阵列。

该发现被认为“对实现马约拉纳准粒子的编织以及拓扑量子计算具有里程碑的意义”。

科学家们的新理想

“你们想做的拓扑量子计算，到底是什么？”

这是李更常被亲朋好友们问到的问题。

人类对于大规模信息处理需求的剧增，使得量子计算被赋予了极高的期待，“量子计算”四个字也几乎家喻户晓。

但是，很多人不知道，量子计算一直有个让人头疼的问题，即噪音等外界环境的扰动会对量子系统产生影响，使计算过程不可避免地产生和积累错误。

正因如此，科学家们有了一个新的理想——研制“拓扑量子计算机”。

“拓扑量子计算是一种容错率更高的量子计算。”李更说。

然而，要实现拓扑量子计算，不仅要求微观世界的粒子符合一种名叫“非阿贝尔统计”的规律，还需要科学家有能力在把微观世界里的粒子像编麻花辫一样编织起来。

也就是说，在这个领域，谁有能耐看清并且操控微观世界，谁才有可能最先实现拓扑量子计算。

一次意外，他们控制住了一种神奇粒子

李更是物理所高鸿钧院士团队中的一员。这支团队不大，却是全球最被关注的几支向拓扑量子计算发起挑战的团队之一。

2018年，高鸿钧研究组最早在铁基超导材料中观测到一种神奇粒子——马约拉纳准粒子。这种粒子符合实现拓扑量子计算的要求，如果科学家能够编织它，就有可能实现拓扑量子计算。这篇成果发表于《科学》杂志，并很快引起国际同行关注。

2020年，他们又在铁基超导材料中观测到马约拉纳准粒子的电导平台，进一步证明了马约拉纳准粒子的存在。成果又一次发表在《科学》杂志上。

这些年，他们一直在各种铁基超导材料中，寻找这种神奇粒子的身影。

“铁基超导材料体系存在着材料组分不均一、马约拉纳准粒子占比低、阵列无序且不可控等问题。”高鸿钧判断，他们需要找到大面积、高度有序、可调控的马约拉纳准粒子阵列，才能向拓扑量子计算更进一步。

直到2021年8月底的那个夜晚，异常波纹出现。

李更把情况汇报给高鸿钧，他们讨论后决定给样品加一个垂直的磁场试试。

更奇特的现象出现了。代表马约拉纳准粒子的亮斑，整整齐齐地排列在纵向的波纹上。

李更试着把磁场调得再强一点，马约拉纳准粒子亮斑也随着密了起来。当亮斑越来越近时，它们彼此间还出现了相互作用和关联的迹象。

从那天起，研究团队开始小心翼翼地保持着仪器针尖和样品的位置。

“在找到原因和规律之前，我们一直担心一旦位置挪动就再也看不到这种奇特现象。”李更告诉《中国科学报》。

经过半年摸索，他们把神奇粒子阵列出现的原因锁定在“应力”上。

“自然应力可以诱导晶体产生的大面积、高度有序、可调控的马约拉纳准粒子阵列，而这种有序的马约拉纳准粒子阵列可以被外磁场调控。”高鸿钧说。用磁场调控大面积有序的马约拉纳准粒子阵列（中科院物理所供图）

“为什么别人没有看到？”

去年11月，他们把新发现写成论文投给《自然》杂志。

然而，评审人对成果倍感意外：“为什么别人没有看到？”

“该怎么说服审稿人呢？”作为论文共同第一作者的李更一边想，一边看着身边的“老伙计”——裹着银色锡纸的“扫描隧道显微镜”。

显微镜的外观并不起眼。“这是我们自行设计、搭建、组装的仪器。”论文通讯作者高鸿钧说。

从2006年开始，实验室里先后设计、建成了三代扫描隧道显微镜。他们使用的那台是第二代仪器，温度可以达到0.4K（-272.75摄氏度），可以给样品加3个方向的磁场，能量分辨可以达到0.3毫电子伏特。

这些数字带来的直观结果是，科研人员可以把原子从分子上切下来，想切几个切几个，想切哪里切哪里。也正因为仪器的超强“视力”，使得他们清清楚楚地看见并操控了马约拉纳准粒子阵列。

就像这个其貌不扬却实力不俗的仪器一样，在高鸿钧团队的实验室里，有很多看似随意实则深思熟虑的地方。“就连用来屏蔽干扰的锡纸该裹在哪里，都是有经验、有诀窍的。”高鸿钧指着包裹着仪器的不怎么有美感的锡纸说。

但是，“仪器好”“经验足”并不是能够说服审稿人的科学依据。于是，研究组又用了两个月，在实验室的另一台扫描隧道显微镜上，用另一个锂铁砷材料样品，重复出了同样的实验结果。

看到重复实验的结果后，审稿人感慨：“我所有的疑问都得到了令人满意的解答。”

“这些结果新颖且令人兴奋。”另一位评审人说。

每年一篇《自然》《科学》的团队

对于这次发现，高鸿钧用“必然的偶然发现”来形容。

在他看来，“必然”不仅来自于仪器的高精度，更得益于研究组的高效率。

他的团队有一个很特别的习惯，热衷于在半夜两三点钟工作。“夜深人静的时候，可以避免电噪音、机械噪音对仪器的干扰。”高鸿钧说。

从2018年发现马约拉纳准粒子之后，这些年来，实验团队保持着高速运转。

“团队里都是年轻的科研人员和学生，我们工作起来非常高效。从2018年开始，每年在这个方向上都有一篇《自然》或《科学》成果。”高鸿钧说。

此外，对于研究组来说，合作也十分重要。

“这些年来，我们不是打一枪换一个阵地的游击式科研，而是和研究所内外的团队联合起来，以建制化的方式不断推进这项研究。”高鸿钧说，此次研究就是与物理所靳常青研究组、美国波士顿学院的汪自强合作的结果。

尽管话语中充满自豪与兴奋，但面对未来，高鸿钧很冷静：“这只是一个阶段性的基础科学进展，基于马约拉纳准粒子的拓扑量子计算还有很长的路要走。”

李更告诉《中国科学报》，下一步，他们要进一步研究应力对双轴电荷密度波的影响，用可控的方法，把超导材料压出双轴电荷密度波条纹。

他们还有一个更远的目标。“让相互靠近的马约拉纳准粒子交换位置，实现对马约拉纳准粒子的编织，向拓扑量子计算再进一步。”高鸿钧说。

相关论文链接：

https://doi.org/10.1126/science.aao1797

https://doi.org/10.1126/science.aax0274