具體來(lái)說(shuō)，在量子干涉下，納米電子電路允許電子選擇路徑并與自身發(fā)生干涉，從而產(chǎn)生類(lèi)似神秘的馬約拉納費(fèi)米子的效應(yīng)，創(chuàng)造出模擬半個(gè)電子行為的狀態(tài)。這種被稱(chēng)為“分裂電子”的現(xiàn)象，可能成為推動(dòng)量子計(jì)算技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。

該研究最近發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)上，由都柏林大學(xué)物理學(xué)院的安德魯·米切爾教授和丹巴德印度理工學(xué)院的蘇德什娜·森博士領(lǐng)導(dǎo)，兩位都是專(zhuān)注于納米級(jí)電子電路量子特性的理論物理學(xué)家。

量子力學(xué)重新定義微型化電子學(xué)

“電子學(xué)的微型化如今已經(jīng)發(fā)展到電路組件僅有納米級(jí)別的地步。在這個(gè)尺度上，規(guī)則完全由量子力學(xué)設(shè)立，你必須放棄對(duì)事物運(yùn)作方式的直觀理解。”森博士表示：“流經(jīng)導(dǎo)線的電流實(shí)際上由大量電子組成，隨著導(dǎo)線尺寸不斷縮小，就可以逐個(gè)觀察電子通過(guò)。我們現(xiàn)在甚至可以制造出僅用單個(gè)電子工作的晶體管。”當(dāng)一個(gè)納米電子電路被設(shè)計(jì)成讓電子能夠在兩條不同路徑之間進(jìn)行“選擇”時(shí)，就會(huì)發(fā)生量子干涉。米切爾教授解釋道：“我們?cè)谶@些電路中觀察到的量子干涉現(xiàn)象，與著名雙縫實(shí)驗(yàn)中觀察到的量子干涉非常相似。”

探索雙縫實(shí)驗(yàn)中的量子波動(dòng)奧秘

雙縫實(shí)驗(yàn)是一種“雙路徑實(shí)驗(yàn)”，展示了電子等量子粒子的波動(dòng)特性，這一發(fā)現(xiàn)直接推動(dòng)了 20 世紀(jì) 20 年代量子力學(xué)的發(fā)展。在實(shí)驗(yàn)中，單個(gè)電子被射向一個(gè)帶有兩個(gè)微小孔隙的屏幕，其最終落點(diǎn)被記錄在另一側(cè)的感光板上：由于電子可以同時(shí)通過(guò)兩條路徑或通過(guò)其中任一路徑，從初始點(diǎn)抵達(dá)最終點(diǎn)，因此兩條路徑的程差促使其量子態(tài)發(fā)生相移，因此產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是，最終落點(diǎn)的屏幕上形成了高強(qiáng)度和低強(qiáng)度條紋交替出現(xiàn)的干涉圖樣。由于相消干涉，在某些位置找到電子的概率可能為零——這就好比兩列波的波峰與波谷相遇并完全抵消的過(guò)程。米切爾教授表示：“在納米電子電路中也是如此。沿著電路不同路徑運(yùn)動(dòng)的電子可能發(fā)生相消干涉，從而阻止電流的流動(dòng)，這種現(xiàn)象此前已在量子器件中被觀察到。而我們發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象是，通過(guò)迫使多個(gè)電子足夠靠近，使它們彼此產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互排斥作用，量子干涉會(huì)隨之改變。盡管電路中僅有電子這一種基本粒子，但它們的集體行為卻像單個(gè)電子被一分為二一樣，表現(xiàn)出了馬約拉納費(fèi)米子特性。”

馬約拉納費(fèi)米子與量子計(jì)算未來(lái)潛力

1937 年，意大利物理學(xué)家埃托雷·馬約拉納提出一種預(yù)言，假想存在一種正反粒子同體的特殊費(fèi)米子。由于狀態(tài)穩(wěn)定且遵循特殊的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，馬約拉納費(fèi)米子被看作是制造拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)的完美選擇之一。為了捕獲這種粒子，世界各地物理學(xué)家潛心追蹤近百年，但受限于理論預(yù)言和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證之間的難度等因素，一直未能如愿，探索馬約拉納費(fèi)米子也成為國(guó)際凝聚態(tài)物理的前沿?zé)狳c(diǎn)。2016 年，中國(guó)科學(xué)家賈金峰團(tuán)隊(duì)率先“捕捉”到這個(gè)神秘粒子，這也是全球首次確切探測(cè)到馬約拉納費(fèi)米子的存在。一直以來(lái)，由于馬約拉納費(fèi)米子被上方的超導(dǎo)材料覆蓋，導(dǎo)致“捕捉”成為艱難挑戰(zhàn)。中國(guó)科學(xué)院院士、上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院副院長(zhǎng)、南方科技大學(xué)代理副校長(zhǎng)賈金鋒從事拓?fù)涑瑢?dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域研究已近 20 年，面對(duì)上述挑戰(zhàn)，賈金峰院士團(tuán)隊(duì)獨(dú)辟蹊徑地把超導(dǎo)材料置于下方，使其上方“生長(zhǎng)”出拓?fù)浣^緣體薄膜，令拓?fù)浣^緣體薄膜的表面變成拓?fù)涑瑢?dǎo)體，從而將馬約拉納費(fèi)米子翻到“明面”上進(jìn)行o觀察，標(biāo)志著人類(lèi)在量子物理學(xué)領(lǐng)域取得重大突破。賈金峰院士曾提到，若想操控馬約拉納費(fèi)米子的移動(dòng)，還需要物理學(xué)和工程學(xué)兩個(gè)領(lǐng)域的科研人員合作推動(dòng)。如果能夠在電子器件中生成并操控馬約拉納粒子，這一發(fā)現(xiàn)可能對(duì)新型量子技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。“近年來(lái)，人們一直在熱切研究馬約拉納粒子，因?yàn)樗鼈兪峭負(fù)淞孔佑?jì)算機(jī)的關(guān)鍵組成部分之一。”就最新研究突破，都柏林大學(xué)物理學(xué)院的米切爾教授表示：“我們或許已經(jīng)找到了一種利用量子干涉效應(yīng)在納米電子器件中生成這些粒子的方法。”