一台大型超级计算机如果进行运算，每天所耗费的电也许和一座小城市的总耗电量相当；但如果是在量子计算机上运算，不仅运算速度会上千倍地提高，耗电量也会减少到和一台普通台式机相当。世界各国制造量子计算机的设想，一直受制于未能发现自然界的神奇粒子——马约拉纳（Majorana）费米子。

上海交通大学物理系的贾金峰、钱冬研究组不久前制备出特殊的人工薄膜，使人类第一次如此接近这一神奇的粒子。这一成果已经在15日的《科学》杂志在线发表，《科学》杂志审稿人称，这项工作是“材料科学的突破”和“巨大的实验成就”。

神奇粒子藏身处很隐秘

据钱冬教授介绍，日常生活中存在的粒子可以分成两大种类，费米子和玻色子，分别以物理学家费米和玻色的名字命名。

物理学家认为，任何粒子都有它的双胞胎兄弟，也就是它的反粒子。但是，20世纪30年代，也就是1937年，意大利物理学家埃托雷·马约拉纳根据量子力学原理推断出，自然界中可能存在一类特殊的费米子，它是自己的反粒子，也就是说：自己是自己的双胞胎兄弟。人们给它起了个名字叫“马约拉纳费米子”。虽然这一推断在理论上没有任何缺陷，但就是找不到。

近年来，理论物理学家提出了多个“马约拉纳费米子”可能“藏身”的材料体系，其中上海交大低维物理和界面工程实验室贾金锋、钱冬、刘灿华、高春雷四位教授联合攻关的拓扑绝缘体与超导体的界面，就是极有可能存在“马约拉纳费米子”的地方。上海交大已经制备出最适合探测和操纵“马约拉纳费米子”的人工薄膜系统，有望在年内实现探测“马约拉纳费米子”的突破。

小薄膜成就物理学重大突破

那么，究竟是什么薄膜有如此“神通”，能够帮助人们找到“马约拉纳费米子”？

据介绍，这种特殊的薄膜，由拓扑绝缘体材料和超导材料复合而成。厚度只有一根头发丝的一万分之一。通过精确控制，将所需材料的原子一层层垒起来，最终达到产生“马约拉纳费米子”的必要要求。

钱冬给记者举了一个例子——想象一下，我们面前放着一张桌子，桌面上有个贵重的台面。把拓扑绝缘体看作是台面，把超导材料看作是桌子，怎么使台面和桌子有机地合在一块，组合成一张更漂亮的桌子？目前，国际上已经有多个研究组能够生长出高质量拓扑绝缘体薄膜，但由于界面反应和晶格匹配等问题，拓扑绝缘体与超导体之间的高质量薄膜非常难以制备。

上海交大低维物理和界面工程实验室通过无数次实验，在拓扑绝缘体与超导体之间插入一种超薄的过渡层，从而形成了一种特殊的人工薄膜，首次成功地实现了超导体和拓扑绝缘体的“珠联璧合”。他们发现超导的特性能够传递到拓扑绝缘体上，使拓扑绝缘体也具有了超导体的“本领”。小小薄膜成就了物理学领域的重大突破。

人类或将进入拓扑量子计算时代

我们现在使用的计算机还处于大规模集成电路时代，计算机的性能价格比遵循着著名的摩尔定律：芯片的集成度和性能每18个月提高一倍。但科学家已经发现，摩尔定律的发展正在接近极限。

钱冬介绍，随着半导体加工工艺的进一步发展，人们预期在不远的将来，半导体集成电路中晶体管的尺寸将达到10纳米的尺度。在这么小的尺度下，依靠提高集成电路的密集度来增加计算能力已不太可能。用量子力学效应实现全新的计算模式，现在成为世界各国都在探索的一个解决方式，这就是量子计算。

但存储在量子状态中的信息容易受到外界的影响而出错甚至丢失，因此，一种特殊的量子计算机方案——拓扑量子计算是近年来发展的一种解决方案。钱冬告诉记者，拓扑量子计算机中存储信息的量子状态是作为一个整体存在的。“通常的量子计算机中，信息存储在特定的位置，一个萝卜一个坑，坑坏了，萝卜也就没了。而拓扑量子计算机中信息的存储是以一个整体存在的。就好比将一个萝卜分成很多份，放在很多坑里面。即使有几个坑坏了，系统还能够根据其他的萝卜块情况得出整个萝卜的信息。”

问题是，如同一切电器的存在都依赖于电子这个费米子的存在，没有电子，就没有电器存在，拓扑量子计算也必须依赖“马约拉纳费米子”——只有这个反粒子即是自己本身的粒子，才可能使整个信息的存储成为一个整体。如果人类找到了“马约拉纳费米子”，就仿佛找到了一把通往拓扑量子计算时代的“钥匙”。

来源：《文汇报》 2012.3.29 第7版

原文：量子计算机设想或将实现