科学家拍摄了一种名为马约拉纳费米子的奇异量子粒子图像，这种粒子可以作为未来量子位元的一块基石，并最终实现量子计算机，其研究发现发表在《科学进展》上。50多年前，英特尔(Intel)前首席执行官戈登摩尔(Gordon Moore)发现，电脑芯片上的晶体管数量每隔18至24个月就会翻一番。这一趋势，现在被称为摩尔定律，一直延续到今天，导致晶体管只有几纳米（一米的十亿分之一）。
在这个尺度上，构成当前计算机工作基础的经典物理定律不再发挥作用，取而代之的是量子力学定律。因此，将晶体管做得更小是不可能的了。过去，晶体管曾被用于提高计算速度和数据存储。除非研究人员能弄清楚如何使用量子力学作为下一代计算机的新基础。这是理查德·费曼1982年提出的基本观点。费曼是20世纪最有影响力的理论物理学家之一。
人们不会使用经典的计算机比特来存储以0和1编码信息，而是会设计出“量子比特”（量子位）。利用量子力学定律来存储0到1之间的任何数字，从而成倍地提高计算速度，并促使量子计算机的诞生。UIC的物理学教授，也是这篇论文的通讯作者德克·莫尔(Dirk Morr)说：
通常，当你放下手机时，它不会删除你手机上的信息，这是因为以1和0为单位存储信息的芯片相当稳定。把1变成0需要很多时间，反之亦然。然而，在量子计算机中，由于量子位元有无限种可能的状态，信息更容易丢失。为了形成更强更可靠的量子位元，研究人员求助于马约拉纳费米子(一种成对出现的量子粒子)。每量子位只需要一个马约拉纳费米子，所以必须把它们分开。
通过从一对马约拉纳费米子构建量子位元，只要马约拉纳费米子保持足够远的距离，信息就可以被可靠地编码。为了实现这种分离，并“成像”单个马约拉纳费米子，有必要创建一个“拓扑超导体”：一个既能传导电流而又不损失任何能量的系统，同时又被绑在一个“拓扑结”上。这个拓扑结就像甜甜圈上的洞：可以把甜甜圈变形成一个咖啡杯，但如果你想破坏这个洞，必须做一些非常戏剧性的事情，比如吃甜甜圈。
为了构建拓扑超导体，科学家在超导体铼的表面放置了一个只有几十纳米直径的磁性铁原子岛。研究人员曾预测，通过扫描隧道显微镜，应该能够将马约拉纳费米子成像为沿着铁原子岛边缘的一条亮线，这正是实验组观察到的。能够将这些奇异的量子粒子形象化，使离构建稳定的量子位元又近了一步，最终将建成量子计算机。下一步将是弄清楚如何在量子芯片上设计这些马约纳量子位元，并操纵它们来获得计算能力的指数增长。这将使科学家能够解决我们今天面临的许多问题。
博科园｜研究/来自：伊利诺伊大学芝加哥分校
参考期刊《科学进展》
DOI: 10.1126/sciadv.aav6600