8月17日凌晨，國際頂級期刊《科學》（

Science

）發表了中科院物理所丁洪-高鴻鈞共同領導的合作團隊的一項研究成果［1］：他們首次在鐵基超導材料中發現了馬約拉納束縛態（或稱為零能模）。

用丁洪的話講：“此次工作不僅在較高溫度、較高純度的情況下實現了對馬約拉納零能模的直接觀測，更在鐵基超導的拓撲領域開了‘一扇門’，為後續實現“編織量子位元”，進而製造拓撲量子計算機打下了堅實的基礎。”

那麼，“馬約拉納零能模”這個拗口的名詞又與時下火爆的量子計算機有哪些關係呢？筆者儘量用“門檻低”的話給您娓娓道來。

經過七十餘年的發展，現今的計算機與最早的ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer）［2］相比已經有了質的飛躍。ENIAC這個重達27噸、每秒運算5000次（加減運算）的大傢伙註定會成為歷史，但卻不影響它在計算機發展歷程中“第一”的地位。

隨著電晶體、積體電路等硬體技術的發展以及軟體、演算法的不斷革新，計算機體積變得越來越小，功能越來越強大，但如今也面臨著一個叫做“摩爾定律”的“天花板”。摩爾定律曾預言：當價格不變時，積體電路上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，效能也將提升一倍。這個由Intel創始人之一Gordon Moore提出來的定律在計算機技術大肆發展的年代還適用，但隨著矽基電晶體積體電路逐漸接近效能極限，這條定律也幾乎壓得人們喘不過氣來。那麼，後“摩爾定律”時代，計算機應向哪個方向走？

有人從材料入手：矽基材料接近了效能極限，那就從同樣豐富且廉價，還能規避矽基材料缺點的其他材料入手，例如碳基材料。

而量子計算機卻與數字計算機不同，或者通俗地說，量子計算機中的量子位元不僅能夠表示0或1，甚至還包括了0與1之間的數字，這也大大提高了其運算能力！

因此，量子計算機成為了下一代計算機的一大熱門，而其中製備穩定的量子位元就成了關鍵環節之一。

沒有量子位元的量子計算機無異於一副空殼。2000年，IBM的科學家David DiVincenzo提出了建造量子計算機的五個要求和兩個輔助條件，為未來具有實用價值的量子計算機畫出了藍圖，而其中的第一個要求，就是“一個能表徵量子位元並可擴充套件的物理系統”，也就是說，要找到合適的材料或系統去承載量子位元成了量子計算機的敲門磚。

現今製備量子位元的方法有很多，離子阱、超導電路、金剛石色心、半導體量子點等等，皆有可能［5］。但這些方法都或多或少有一些困難需要克服。其中，只存在於固體材料中的馬約拉納零能模，係一種存在於拓撲超導體中奇異的準粒子激發，服從非阿貝爾統計（簡單地說就是“先交換1、2再交換2、3”與“先交換2、3再交換1、2”的操作不等價），可用於構建拓撲量子位元。

而與傳統的量子位元相比，拓撲量子位元由馬約拉納零能模編織操作的時間線紐結決定，對外界局域的擾動不敏感。因此具有豐富的潛在應用價值，可以用來構築高容錯的量子計算機。

而在凝聚態物理中，科學家們卻在一大類材料——拓撲超導體中（準確地說是在破缺時間反演對稱性的本徵P波超導體中）發現了具有馬約拉納費米子性質的準粒子，然而，破缺時間反演對稱性的本徵P波超導體在自然中卻十分稀有（純度要求非常高，且對雜質非常敏感）。

2008年，麻省理工學院理論物理學家傅亮和Charles Kane首次提出透過超導近鄰效應制備等效的P波超導異質節材料。這個革命性的理論設想一經發表，便開啟了一場在“人工p波超導”異質節中尋找馬約拉納零能模的國際競賽。而在這場競賽中，不乏華人的身影。

據丁洪介紹，其實他們並不是在鐵基超導體看到零能峰的第一人，美國康奈爾大學的J。 C。 Séamus Davis在實驗中看到過零能峰，“Davis他們幾乎早了我們一年，但是他們卻不相信鐵基超導中能夠有馬約拉納零能模，沒有繼續深入地做下去。而我們則堅信鐵基超導材料中可以觀測到馬約拉納零能模，結果我們確實找到了它存在的大量實驗證據”。

這聽起來更像是一句“信則有之”的禪語，但此次發現的歷程卻並無多少禪意，而是一步一步、腳踏實地的推進。丁洪研究組先後與中科院物理所方忠、戴希研究組以及日本東京大學Shin研究組、麻省理工學院傅亮教授、美國布魯克海文國家實驗室顧根大教授的前期合作，皆是實打實的積累。“這次的研究要求實驗的樣品純度非常高，顧根大教授在Fe（Se，Te）高質量單晶生長上具有深厚的造詣，為研究團隊提供了高質量的單晶。”丁洪補充道。

據丁洪回憶，去年（2017年）4月份，當高質量能帶測量結果剛剛完成之時，他就找到了物理所的同事高鴻鈞院士，商討對直接測量馬約拉納束縛態展開合作。“高鴻鈞院士課題組具有十分強大的儀器裝備，在實驗測量上有著厚重的經驗積累。這使得研究團隊可以同時使用兩臺He-3極低溫強磁場的掃描隧道顯微鏡進行實驗。”丁洪感嘆，“這樣優異的條件為國內外很多同行所羨慕。”

然而即便是一切都具備了，前幾次的觀測卻仍未找到馬約拉納零能模，“前面多次的觀測皆未找到，直到更換到第13個樣品時，我們才觀測到了目標現象。”丁洪表示，“我們已經排除了可能產生干擾的因素，理論上也為觀測到馬約拉納零能模提供了充分條件，那麼一旦觀測到了，這就是對馬約拉納零能模的直接觀測。”

而對於未來實現量子拓撲計算機，丁洪則顯得樂觀而謹慎，“我們的工作只是在鐵基超導上實現了對純的馬約拉納零能模的直接觀測，同時，觀測的溫度比較高，可能實現在液氦溫度下對馬約拉納零能模的調控，這些都在為拓撲量子算機打基礎，同時開闢了鐵基超導這條新的路徑，這都證明了它的研究價值。