神秘的拓?fù)淞孔佑嬎?/h1>
2020-12-07 05:58:04魯妮
科研成果與傳播 2020年1期
魯妮
有人說不同的材料對應(yīng)著不同的社會發(fā)展形態(tài)，其實，不同的計算能力也代表著不同的社會發(fā)展形態(tài)。從遠古社會到現(xiàn)在的電子信息時代，計算能力的提升給我們生活帶來的所有變革，想必大家都有切身體會。
——拓?fù)淞孔佑嬎阊芯繉＜覐埡?/p>
20世紀(jì)以來，信息技術(shù)快速發(fā)展，身后背著大大“行囊”的計算機現(xiàn)在幾乎已經(jīng)看不到了，計算機的屏幕已經(jīng)變成了薄薄的一層，還出現(xiàn)了筆記本電腦、一體機、平板電腦等輕便產(chǎn)品。硬件越來越精巧，成本還有一定程度降低，這得益于摩爾定律，即“當(dāng)價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18～24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。換言之，每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18～24個月翻一倍以上”[1]。也就是說，晶體管可以越來越小，價格越來越便宜，速度越來越快、節(jié)能能力更強。摩爾定律揭示了信息技術(shù)快速發(fā)展的原因。
然而，隨著摩爾定律的失效，這一增長放緩，未來，通過縮小晶體管來實現(xiàn)發(fā)展已然不現(xiàn)實。人類的第一個晶體管大小和我們的手指差不多大，現(xiàn)在的晶體管已經(jīng)到了納米級別。當(dāng)晶體管越做越小時，也不得不面對一個問題——它遵循的物理定律已經(jīng)不是牛頓力學(xué)的經(jīng)典定律，而是涉及量子力學(xué)的領(lǐng)域。下一步應(yīng)該何去何從？目前業(yè)界的共識是制作量子計算機。量子計算機現(xiàn)在還沒有做出來，清華大學(xué)物理系副教授張浩說，我們現(xiàn)在還不知道怎么用量子力學(xué)來操控這些不滿足經(jīng)典定律的晶體管，如果我們知道怎么操控，那這就是量子計算機。
限制我們的不是能力，而是想象力
目前，對量子計算機的未來存在著爭議，有一些批評的聲音，認(rèn)為這個領(lǐng)域存在泡沫，認(rèn)為量子計算機不可能做出來。
什么是民科？就是明顯違反物理定律。例如，永動機不可能制造成功，因為它違背了能量守恒定律或者熱力學(xué)第二定律。然而，實際上，沒有任何物理學(xué)定律告訴我們量子計算機做不出來。很多時候限制我們的，不是我們的能力，而是我們的想象力。舉個簡單的例子，20世紀(jì)50年代，電子計算機剛做出來的時候，當(dāng)時的IBM總裁托馬斯·沃森預(yù)言：這個世界對電腦的需求只有五臺?，F(xiàn)在看來，他當(dāng)時的話似乎非?；闹嚕鋵岻BM總裁托馬斯·沃森是當(dāng)時非常專業(yè)的人士，局限于當(dāng)時的科技發(fā)展水平與認(rèn)知，他作出了這樣的預(yù)言。很多時候，未來的發(fā)展可能都會超出我們的想象，“腳踏實地地去做，到時候得到的結(jié)果也許會出乎所有人的想象，希望量子計算機的研發(fā)也是如此?！睆埡普f。
什么是量子計算
量子計算實際上是人類對量子信息技術(shù)的應(yīng)用，量子信息科學(xué)是量子物理與信息科學(xué)交叉的新學(xué)科，其物理基礎(chǔ)是量子力學(xué)。量子力學(xué)是研究和描述微觀世界基本粒子結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及相互作用的一門科學(xué)[2]。量子計算這一概念目前受到廣泛關(guān)注，相對于經(jīng)典計算來說，量子計算最大的優(yōu)勢在于它能攜帶巨量信息并具有強大的計算能力，低能耗的同時計算能力更強，在可預(yù)期的將來，量子計算將對化學(xué)工業(yè)、材料設(shè)計、大數(shù)據(jù)、人工智能、信息安全、軍事、太空探索等方面產(chǎn)生顛覆性的影響，成為眾多科技領(lǐng)域加速發(fā)展的引擎。
霍尼韋爾董事長兼首席執(zhí)行官杜瑞哲表示，量子計算將使我們能夠應(yīng)對復(fù)雜的科學(xué)和商業(yè)挑戰(zhàn)，推動計算能力、運營成本和速度的逐步改進。材料公司將探索新的分子結(jié)構(gòu)。交通運輸公司將優(yōu)化物流。金融機構(gòu)將需要更快、更精確的軟件應(yīng)用程序。制藥公司將加快新藥的研發(fā)。
量子計算技術(shù)的實現(xiàn)依賴于量子芯片以及量子算法，量子芯片是制造量子計算機的必備硬件以及物理實現(xiàn)，量子算法則是充分利用量子效率的軟件系統(tǒng)。拓?fù)淞孔佑嬎闶侵谱髁孔有酒鄠€技術(shù)方案中的一種，它建立在全新的計算思路上，目前，微軟、清華、北大、物理所等都致力于這方面的研究。
量子疊加態(tài)
在量子計算中，量子信息是一個重要的概念，量子信息通過量子疊加和量子糾纏進行獲取、傳輸和處理。量子疊加態(tài)，形象來講，就是“薛定諤的貓”的概念。一只貓在一個密閉容器內(nèi)，容器內(nèi)有氰化物毒氣裝置，觸發(fā)毒氣的是鐳的衰變，鐳可以衰變，也可以不衰變。如果鐳發(fā)生衰變，就會導(dǎo)致毒氣釋放，容器中的貓就會死亡;如果鐳不發(fā)生衰變，毒氣就不會釋放，貓就能存活。在某個具體的時刻，我們不知道鐳有沒有發(fā)生衰變，也就是不知道貓是死亡還是存活，因為鐳可以處在衰變和不衰變的疊加態(tài)，這樣貓可能同時是死的和活的，也即這只貓?zhí)幱谕瑫r是死貓和活貓的疊加狀態(tài)。這可能和經(jīng)典世界的理解有所不同，但微觀世界其實就是這樣一個規(guī)律。
在經(jīng)典計算中，計算機技術(shù)信息量的基本量度單位是比特，在量子計算中，最小信息單位是量子比特。晶體管是計算機等現(xiàn)代電器的關(guān)鍵元件之一，簡單來講，晶體管兩端是兩個電極，中間有一個半導(dǎo)體，當(dāng)給它施加電壓時，晶體管處于開啟狀態(tài)，把這種狀態(tài)當(dāng)成二進制中的1;當(dāng)不給它施加電壓時，不會產(chǎn)生電荷，晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)，這種狀態(tài)就是二進制中的0。關(guān)閉或開啟，這兩種狀態(tài)也就代表信息0和1。這里說的二進制的0和1有什么作用呢？我們平時用電腦或手機在網(wǎng)頁、微信、微博、抖音等上面觀看的文字、圖片、音視頻等內(nèi)容，實際上都是二進制數(shù)字的長串，也就是說，信息由它們所搭載。當(dāng)把晶體管做到足夠小，進入量子領(lǐng)域的時候，就可以創(chuàng)造出一個同時是開啟和關(guān)閉的疊加態(tài)，也就是信息可以同時是1和0，我們稱為一個量子比特，其能夠搭載的信息量遠超只能表示0或1的經(jīng)典比特。
量子糾纏
除了量子比特能夠搭載更多信息，量子計算機的運算能力遠超經(jīng)典計算機的原因還和量子糾纏有關(guān)。量子糾纏是指當(dāng)幾個微觀粒子相互作用后，各個粒子所擁有的特性已綜合成為整體性質(zhì)，無法單獨描述各個粒子的性質(zhì)，只能描述整體系統(tǒng)的性質(zhì)[3]。簡單來說，量子糾纏就是指系統(tǒng)中多個粒子相互影響的現(xiàn)象。在量子系統(tǒng)中，存在量子關(guān)聯(lián)的多個粒子即使在空間上被分隔開，也能夠相互影響運動狀態(tài)，就像超越時空的“心電感應(yīng)”一樣。這種相互影響一是可以使信息處理速度加快，經(jīng)典計算機100億年可能都算不出來的東西，量子計算機100秒就能算出來;二是可以應(yīng)用于加密和解密信息，提高通信的安全性。
對量子計算研究的大力投入
近年來，政府、媒體、企業(yè)、高校等都對量子計算十分重視，投入了大量資金，成立了多個量子計算研究機構(gòu)，做了相應(yīng)的研究規(guī)劃。
2016年8月，由中國科學(xué)家自主研發(fā)的全球首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”發(fā)射成功，首次實現(xiàn)了衛(wèi)星和地面之間的量子通信。2017年，“墨子號”打破了世界量子糾纏分發(fā)距離的紀(jì)錄，達到1200km，并實現(xiàn)了量子密鑰分發(fā)、量子糾纏分發(fā)、量子隱形傳態(tài)三大目標(biāo)。
“墨子號”發(fā)射成功那年，歐盟也頒布了國家級量子研究計劃。2016年3月，歐盟發(fā)布《量子宣言》;5月，歐盟宣布啟動10億歐元的量子旗艦項目，連同各國和企業(yè)的配套，總經(jīng)費超過30億歐元。張浩在此期間在荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的量子計算實驗室工作。荷蘭也向代爾夫特理工大學(xué)投資1.4億美元研發(fā)量子計算[4]。2017年11月，在“未來和新技術(shù)旗艦項目”會議上，歐盟強調(diào)了量子技術(shù)對加強歐盟未來競爭力的重要作用，量子技術(shù)相關(guān)項目從2018年開始加速。
美國也十分重視量子信息科學(xué)的發(fā)展，每年在量子研究上大約撥款2.5億美元。2018年9月，美國白宮發(fā)布國家量子信息科學(xué)戰(zhàn)略性文件——《國家量子信息科學(xué)戰(zhàn)略概覽》，美國能源部宣布將成立多個國家級實驗室，并為量子信息科學(xué)研究提供2.18億美元的資助，美國國家科學(xué)基金會計劃撥款3100萬美元用于多學(xué)科量子研究;2018年年底，美國國會通過了《國家量子倡議法案》。2019年3月，美國又成立了白宮國家量子協(xié)調(diào)辦公室。2020年2月，美國白宮發(fā)布《美國量子年網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略構(gòu)想》，文件提出，未來5年，美國的公司和實驗室將演示量子網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)科學(xué)和關(guān)鍵技術(shù)，包括量子互連、量子中繼器、量子存儲器等;未來20年，將實現(xiàn)經(jīng)典技術(shù)無法實現(xiàn)的新功能，促進對量子糾纏作用的理解。
此外，英國也在各大高校建立了量子研究中心，投入約2.5億美元培養(yǎng)相關(guān)人才。日本計劃10年內(nèi)在量子計算領(lǐng)域投資3.6億美元[4]。加拿大、澳大利亞等政府也投入了大量資金在量子計算的研究上。
除了國家級的研究計劃，眾多科技巨頭也紛紛加入。谷歌在量子計算領(lǐng)域的研發(fā)已經(jīng)長達10多年，2017年，谷歌便開源了量子計算軟件OpenFermion ，使用者可以利用其改進算法，使之能在量子計算機上運行。2019年10月，谷歌表示其研究團隊使用了實驗性量子計算機，可以在200秒執(zhí)行一個最快的傳統(tǒng)超級計算機需要1萬年才能完成的工作。2020年3月，谷歌與滑鐵盧大學(xué)、大眾汽車等聯(lián)合發(fā)布可快速建立量子機器學(xué)習(xí)模型原型的開源庫TensorFlow Quantum（以下簡稱“TFQ”），其由開源量子電路庫Cirq和機器學(xué)習(xí)平臺TensorFlow兩部分組成[5]，相關(guān)研究人員稱，TFQ可以將量子計算和機器學(xué)習(xí)相關(guān)研究者聚集在一起，為其提供必要工具，來探索可能產(chǎn)生量子優(yōu)勢的新量子算法。
2019年1月，IBM展示了20量子比特的IBM Q System 1，據(jù)稱這是第一臺可商用的量子計算機。這臺設(shè)備的優(yōu)勢在于其具有更強大的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)緊湊性，實用性增強。2019年9月，IBM又推出了可操作53個量子比特的量子計算機[6]。微軟研究團隊也在量子計算上機的最大可行量子加速問題上取得了突破，INTEL也在持續(xù)對量子計算機進行投入與研發(fā)?；裟犴f爾也于2020年3月4日宣布，在未來三個月內(nèi)將發(fā)布全球最強大的量子計算機，其量子體積將至少達到64，預(yù)計是未來業(yè)界排名第二的量子計算機的兩倍。量子體積是用于度量量子計算機性能的指標(biāo)，而不是僅僅以量子比特數(shù)據(jù)作為度量標(biāo)準(zhǔn)。
量子退相干——限制量子計算發(fā)展的主要問題
政府與各科技巨頭都大力投入，但是，通用的、可走進普通百姓家的量子計算機卻遲遲沒有出現(xiàn)，這是為什么呢？
量子計算目前有一個非常巨大的問題，也就是其所依賴的量子疊加態(tài)非常脆弱，只要周圍環(huán)境有一點點干擾，就算這個干擾微乎其微，疊加態(tài)就會立刻被破壞。以薛定諤的貓為例，只要存在微小的干擾，這只貓就會處于死或活的確定狀態(tài)，無法同時又是死的，又是活的。張浩說：“谷歌最先進的量子芯片，創(chuàng)造出的量子疊加態(tài)的持續(xù)時間小于1毫秒，也就是1秒的1/1000，過了這1毫秒之后，就回到經(jīng)典狀態(tài)了，所有的計算必須在這么短的時間內(nèi)完成。這是目前限制量子計算發(fā)展的最大問題，也就是所謂的量子退相干?！?/p>
簡單地從字面上來講，量子退相干就是量子相干性退卻，量子疊加態(tài)之間的相干性消失，也就是從量子世界過渡（塌縮）到經(jīng)典世界，量子疊加態(tài)與量子糾纏失效。
拓?fù)淞孔佑嬎恪鉀Q難題
怎么解決量子疊加態(tài)的不穩(wěn)定性問題呢？張浩所研究的拓?fù)淞孔佑嬎憔褪墙鉀Q這一問題的方法之一，即先構(gòu)造一個特別穩(wěn)定的、不容易塌縮的拓?fù)淞孔颖忍?，用拓?fù)淞孔討B(tài)來儲存和操控量子信息，然后再進行量子計算。
拓?fù)淞孔佑嬎闶墙畮啄臧l(fā)展起來的一門新的學(xué)科方向。其實，在遠古時代，我們?nèi)祟惥鸵呀?jīng)開始利用拓?fù)涞姆€(wěn)定性來記錄信息了，比如結(jié)繩記事——把繩子打成不同的結(jié)，不同的結(jié)代表不同的信息。這個結(jié)是非常穩(wěn)定的，它外在的形式不會被輕易破壞掉。拓?fù)淞孔佑嬎闫鋵嵑徒Y(jié)繩記事的思想沒有什么本質(zhì)的區(qū)別，可以把它理解為量子版本的結(jié)繩記事。量子版的結(jié)繩記事中，粒子的交換和交換的具體路徑?jīng)]有關(guān)系，只和交換的順序有關(guān)，也就是說，兩個粒子是沿著方形的路徑交換，還是圓形的路徑交換，對最終結(jié)果不會造成影響，只要交換的順序一樣，那結(jié)果就是一樣的，對路徑不敏感，這樣的交換操作就會更加穩(wěn)定。然而現(xiàn)實世界中大部分粒子不滿足這種性質(zhì)，只有極少數(shù)理論預(yù)言的粒子可以，比如馬約拉納費米子。
“創(chuàng)造”馬約拉納（Majorana）
量子芯片主要的發(fā)展瓶頸是量子疊加態(tài)不夠穩(wěn)定，而用拓?fù)鋬Υ嫘畔⒑芊€(wěn)定，那是不是直接用結(jié)繩記事的原理去做拓?fù)淞孔佑嬎銠C就行了呢？答案是不行。馬約拉納費米子（Majorana fermion）是制作拓?fù)淞孔佑嬎銠C的關(guān)鍵，但是，馬約拉納費米子在自然界其實是不存在的，需要在實驗室中創(chuàng)造出這種粒子，然后再用這種粒子去做拓?fù)淞孔佑嬎銠C。
馬約拉納費米子是意大利科學(xué)家馬約拉納（Majorana）最早預(yù)言的，當(dāng)年（1937年）馬約拉納預(yù)言了這個粒子后，就登上了一艘游輪，不知去向，這也成為歷史上一個懸案，大家都不知道他去哪里了。但是，他的文章和預(yù)言被大家記住了，大家都在尋找他預(yù)言的粒子。這究竟是一個怎樣的粒子呢？
目前，我們知道的所有的粒子都有它對應(yīng)的反粒子。例如，電子的反粒子是正電子，質(zhì)子的反粒子是反質(zhì)子。而馬約拉納預(yù)言的粒子，它的反粒子就是它本身，即粒子=反粒子。要怎么創(chuàng)造出粒子=反粒子這樣一個東西呢？這要回到量子計算機最核心的一個概念——量子疊加態(tài)。把一個盛滿酒的杯子看成電子，它的反粒子就是“沒有電子”，也就是空穴。這樣，我們可以把沒有盛酒的杯子看作電子的反粒子——空穴，從這個意義上來講，電子不是馬約拉納費米子：因為空杯子和盛酒的杯子狀態(tài)不一樣。如果能創(chuàng)造出一個同時存在電子和空穴的疊加態(tài)，形象來講就是一個盛著半杯酒的杯子，那它就滿足粒子=反粒子這一概念，電子的反粒子是空穴（杯子上半部分的空穴），空穴的反粒子是電子（杯子下半部份的酒），這個杯子作為一個整體就滿足“反粒子是它自身”。這樣一種神奇的粒子就可以形象地認(rèn)為是馬約拉納費米子。
根據(jù)上面的理念，一個電子就可以看成兩個馬約拉納費米子，但是，很可惜，我們知道，電子是不可以分的，斧子劈不開。如果要把兩個馬約拉納費米子在空間上分開，要怎么做呢？
假如把電子排成一串，再引入一些相互作用，比如電子與電子之間有一個吸引作用——我們稱為p-波超導(dǎo)，就可以把分屬兩個不同電子的兩個馬約拉納費米子組成到一塊，形成一個新電子，最左端與最右端會分別遺漏一個馬約拉納費米子，這樣就在空間中把一個電子分成了兩半。雖然p-波超導(dǎo)在現(xiàn)實中不存在，但是，我們可以把一些元素放到一塊兒，讓它們合起來等效于p-波超導(dǎo)。首先，把電子纏成一串，使其形成一個一維電子系統(tǒng);其次，電子需要有強自旋-軌道耦合，電子是有自旋的，會轉(zhuǎn)動，其在運動過程中的轉(zhuǎn)動方向會因為自旋軌道耦合而改變;第三，配對，我們知道電子同性相斥，電子間要怎么相互吸引——引入超導(dǎo)，使每兩個電子形成一對;最后，外加電場和磁場。當(dāng)精確地調(diào)節(jié)這個系統(tǒng)中各個元素的強弱到一定的條件時，就創(chuàng)造出了馬約拉納費米子。
按照上述四種要素，去元素周期表里面找，發(fā)現(xiàn)銦和銻兩種元素組合而成的半導(dǎo)體組成的納米線的結(jié)構(gòu)最合適。接下來就需要去“生長”這種半導(dǎo)體納米線：把一些原材料放到一個腔里，控制一定的溫度和壓強，半導(dǎo)體納米線會像樹木生長一樣，長成一個個納米線森林。單根納米線的長度大概2μm，直徑只有100nm，比我們的頭發(fā)絲細(xì)將近1000倍。
下一步需要引入超導(dǎo)，半導(dǎo)體是沒有超導(dǎo)的，要怎么引入超導(dǎo)呢？通用的方法是把具有超導(dǎo)性質(zhì)的，例如鋁膜，鍍到半導(dǎo)體納米線上，形成一個非常干凈的超導(dǎo)、半導(dǎo)體結(jié)合。這有些類似于近朱者赤近墨者黑，把超導(dǎo)接觸到半導(dǎo)體納米線后，超導(dǎo)的性質(zhì)就會“流”到半導(dǎo)體里面，半導(dǎo)體納米線就變成了超導(dǎo)。
在實驗室中是怎么制備量子器件芯片的呢？張浩介紹：“我們需要在一個非常干凈的房間里，這種房間稱為超凈間，需要把整個人包起來，因為身上掉落的細(xì)小灰塵可能會污染樣品。具體操作上，需要先把一根納米線放到一個芯片上，然后用鑷子捏著這個芯片進行微納米級的加工工藝，然后放上電極，再把芯片放到一個稱為稀釋制冷機的“冰箱”里面，不過這不是普通的冰箱，在芯片放置的地方，這個儀器的溫度可以達到零下273.13℃，接近絕對零度。然后，我們在外部加電場和磁場，進行一些電學(xué)測量，觀察有沒有馬約拉納費米子，有和沒有所得到的電導(dǎo)信號是不一樣的?！?/p>
納米線特別小，其直徑只有頭發(fā)絲的1/1000，是怎么把它一根一根“拿”起來，轉(zhuǎn)移并安裝到芯片上的呢？張浩介紹，他們在實驗室中發(fā)展了一套技術(shù)：用一個非常細(xì)的針尖，在電子顯微鏡下，先把納米線的根部松動一下，然后就可以把納米線推倒;如果有其他納米線阻擋了操作，就要用暴力把它們給移開，移開后，需要拿起并轉(zhuǎn)移的納米線周圍就空曠了;然后通過靜電相互作用的吸引，就可以用針尖把這根納米線提起來，最后完成轉(zhuǎn)移并放到芯片上。這是一個非常細(xì)致的工作，納米線特別敏感，周圍的震動或是有人走動都會對其產(chǎn)生影響。
2012年，荷蘭的研究團隊測到了馬約拉納費米子存在的可能信號，并發(fā)表在《科學(xué)》上，且登上了雜志首頁，也被《科學(xué)》雜志評為2012年十大科技突破之一，引起了巨大關(guān)注。但同時也面臨一些科學(xué)的爭論，比如很快各種各樣的理論和實驗提出了其他的可能物理機制也會導(dǎo)致類似的信號。此外，實驗信號值遠沒有達到馬約拉納的理論預(yù)言值，也預(yù)示著該方向的研究遠沒有結(jié)束。
盛宴已過，何去何從？
張浩是2014年才來到上述實驗室，加入研究團隊，進行拓?fù)淞孔佑嬎阆嚓P(guān)的實驗研究，備受關(guān)注的2012年的工作與成就已經(jīng)過去，用一句時髦的話來說，感覺就是“盛宴已過”，能做的都已經(jīng)做了，那張浩來這里的意義是什么呢？張浩說：“當(dāng)年的工作有很多爭論，既然有爭論，我們就必須繼續(xù)。如果真的想做拓?fù)淞孔佑嬎銠C，我們就必須解決這些爭論，把拓?fù)淞孔悠骷|(zhì)量做得特別好，才能把現(xiàn)有的爭論排除，把納米線做得越來越干凈，把信號做到更加符合馬約拉納預(yù)言的值?！?/p>
經(jīng)過4年的時間，張浩所在的研究團隊把器件的工藝優(yōu)化做得越來越好，幾乎達到了理論的預(yù)言。張浩說，這聽起來似乎特別容易，但是其實耗費了很多人的很多精力。以前，半導(dǎo)體和超導(dǎo)的界面特別特別粗糙，現(xiàn)在，他們把這個界面做得平整又干凈，有多平整呢？“它的變化程度不會高過一個原子層”。界面如果粗糙，電子在里面運動容易散射，而現(xiàn)在幾乎沒有散射的情況了。張浩所在的團隊并不是一下就做到了這樣的進展，是一步一步的優(yōu)化，每一篇小文章的背后，都是他們做實驗的物理工作者無數(shù)個日夜的付出。2018年8月，張浩來到清華大學(xué)，從無到有，一步步搭建實驗室，實驗室于2019年底正常運轉(zhuǎn)起來，張浩希望能夠在接下來的5年內(nèi)努力追上國際一流水平。
除了張浩所做的這個體系，實現(xiàn)馬約拉納費米子的方法還有很多。國際上非常流行的還有3種，近幾年取得的進展都非?？欤ù判栽渔湥╕azdani，2014）、拓?fù)浣^緣體/超導(dǎo)體的結(jié)合（J. -F. Jia ，2015）、拓?fù)滂F基超導(dǎo)體（H. -J. Gao & H. Ding & D. -L. Feng，2018）。
制作拓?fù)淞孔佑嬎銠C需要多領(lǐng)域?qū)＜液献?/p>
目前，我們或許大概真的找到了這個粒子=反粒子的馬約拉納費米子。未來，有望在5～10年，通過不懈努力，有可能實現(xiàn)第一個拓?fù)淞孔颖忍亍?/p>
然而，拓?fù)淞孔佑嬎闶且粋€跨學(xué)科的交叉領(lǐng)域，需要各個領(lǐng)域的專家共同合作。張浩說，其實他個人只做了拓?fù)淞孔佑嬎阒械囊粋€環(huán)節(jié)——微納米級的器件加工和量子測量，此外，還需要和材料科學(xué)家、計算機科學(xué)家、化學(xué)家等合作，相互學(xué)習(xí)，一起把拓?fù)淞孔佑嬎銠C做出來。目前，已經(jīng)有一些大的科技公司聚集了各個領(lǐng)域的專家，在進行相關(guān)研究。和不同領(lǐng)域的專家溝通，也許會因為所長專業(yè)的不同，存在一些溝通障礙，但這也是一個深入了解其他領(lǐng)域，深入學(xué)習(xí)的過程，在張浩看來，這是一個非常有趣的事。
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魯妮
有人說不同的材料對應(yīng)著不同的社會發(fā)展形態(tài)，其實，不同的計算能力也代表著不同的社會發(fā)展形態(tài)。從遠古社會到現(xiàn)在的電子信息時代，計算能力的提升給我們生活帶來的所有變革，想必大家都有切身體會。
——拓?fù)淞孔佑嬎阊芯繉＜覐埡?/p>
20世紀(jì)以來，信息技術(shù)快速發(fā)展，身后背著大大“行囊”的計算機現(xiàn)在幾乎已經(jīng)看不到了，計算機的屏幕已經(jīng)變成了薄薄的一層，還出現(xiàn)了筆記本電腦、一體機、平板電腦等輕便產(chǎn)品。硬件越來越精巧，成本還有一定程度降低，這得益于摩爾定律，即“當(dāng)價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18～24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。換言之，每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18～24個月翻一倍以上”[1]。也就是說，晶體管可以越來越小，價格越來越便宜，速度越來越快、節(jié)能能力更強。摩爾定律揭示了信息技術(shù)快速發(fā)展的原因。
然而，隨著摩爾定律的失效，這一增長放緩，未來，通過縮小晶體管來實現(xiàn)發(fā)展已然不現(xiàn)實。人類的第一個晶體管大小和我們的手指差不多大，現(xiàn)在的晶體管已經(jīng)到了納米級別。當(dāng)晶體管越做越小時，也不得不面對一個問題——它遵循的物理定律已經(jīng)不是牛頓力學(xué)的經(jīng)典定律，而是涉及量子力學(xué)的領(lǐng)域。下一步應(yīng)該何去何從？目前業(yè)界的共識是制作量子計算機。量子計算機現(xiàn)在還沒有做出來，清華大學(xué)物理系副教授張浩說，我們現(xiàn)在還不知道怎么用量子力學(xué)來操控這些不滿足經(jīng)典定律的晶體管，如果我們知道怎么操控，那這就是量子計算機。
限制我們的不是能力，而是想象力
目前，對量子計算機的未來存在著爭議，有一些批評的聲音，認(rèn)為這個領(lǐng)域存在泡沫，認(rèn)為量子計算機不可能做出來。
什么是民科？就是明顯違反物理定律。例如，永動機不可能制造成功，因為它違背了能量守恒定律或者熱力學(xué)第二定律。然而，實際上，沒有任何物理學(xué)定律告訴我們量子計算機做不出來。很多時候限制我們的，不是我們的能力，而是我們的想象力。舉個簡單的例子，20世紀(jì)50年代，電子計算機剛做出來的時候，當(dāng)時的IBM總裁托馬斯·沃森預(yù)言：這個世界對電腦的需求只有五臺?，F(xiàn)在看來，他當(dāng)時的話似乎非?；闹嚕鋵岻BM總裁托馬斯·沃森是當(dāng)時非常專業(yè)的人士，局限于當(dāng)時的科技發(fā)展水平與認(rèn)知，他作出了這樣的預(yù)言。很多時候，未來的發(fā)展可能都會超出我們的想象，“腳踏實地地去做，到時候得到的結(jié)果也許會出乎所有人的想象，希望量子計算機的研發(fā)也是如此?！睆埡普f。
什么是量子計算
量子計算實際上是人類對量子信息技術(shù)的應(yīng)用，量子信息科學(xué)是量子物理與信息科學(xué)交叉的新學(xué)科，其物理基礎(chǔ)是量子力學(xué)。量子力學(xué)是研究和描述微觀世界基本粒子結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及相互作用的一門科學(xué)[2]。量子計算這一概念目前受到廣泛關(guān)注，相對于經(jīng)典計算來說，量子計算最大的優(yōu)勢在于它能攜帶巨量信息并具有強大的計算能力，低能耗的同時計算能力更強，在可預(yù)期的將來，量子計算將對化學(xué)工業(yè)、材料設(shè)計、大數(shù)據(jù)、人工智能、信息安全、軍事、太空探索等方面產(chǎn)生顛覆性的影響，成為眾多科技領(lǐng)域加速發(fā)展的引擎。
霍尼韋爾董事長兼首席執(zhí)行官杜瑞哲表示，量子計算將使我們能夠應(yīng)對復(fù)雜的科學(xué)和商業(yè)挑戰(zhàn)，推動計算能力、運營成本和速度的逐步改進。材料公司將探索新的分子結(jié)構(gòu)。交通運輸公司將優(yōu)化物流。金融機構(gòu)將需要更快、更精確的軟件應(yīng)用程序。制藥公司將加快新藥的研發(fā)。
量子計算技術(shù)的實現(xiàn)依賴于量子芯片以及量子算法，量子芯片是制造量子計算機的必備硬件以及物理實現(xiàn)，量子算法則是充分利用量子效率的軟件系統(tǒng)。拓?fù)淞孔佑嬎闶侵谱髁孔有酒鄠€技術(shù)方案中的一種，它建立在全新的計算思路上，目前，微軟、清華、北大、物理所等都致力于這方面的研究。
量子疊加態(tài)
在量子計算中，量子信息是一個重要的概念，量子信息通過量子疊加和量子糾纏進行獲取、傳輸和處理。量子疊加態(tài)，形象來講，就是“薛定諤的貓”的概念。一只貓在一個密閉容器內(nèi)，容器內(nèi)有氰化物毒氣裝置，觸發(fā)毒氣的是鐳的衰變，鐳可以衰變，也可以不衰變。如果鐳發(fā)生衰變，就會導(dǎo)致毒氣釋放，容器中的貓就會死亡;如果鐳不發(fā)生衰變，毒氣就不會釋放，貓就能存活。在某個具體的時刻，我們不知道鐳有沒有發(fā)生衰變，也就是不知道貓是死亡還是存活，因為鐳可以處在衰變和不衰變的疊加態(tài)，這樣貓可能同時是死的和活的，也即這只貓?zhí)幱谕瑫r是死貓和活貓的疊加狀態(tài)。這可能和經(jīng)典世界的理解有所不同，但微觀世界其實就是這樣一個規(guī)律。
在經(jīng)典計算中，計算機技術(shù)信息量的基本量度單位是比特，在量子計算中，最小信息單位是量子比特。晶體管是計算機等現(xiàn)代電器的關(guān)鍵元件之一，簡單來講，晶體管兩端是兩個電極，中間有一個半導(dǎo)體，當(dāng)給它施加電壓時，晶體管處于開啟狀態(tài)，把這種狀態(tài)當(dāng)成二進制中的1;當(dāng)不給它施加電壓時，不會產(chǎn)生電荷，晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)，這種狀態(tài)就是二進制中的0。關(guān)閉或開啟，這兩種狀態(tài)也就代表信息0和1。這里說的二進制的0和1有什么作用呢？我們平時用電腦或手機在網(wǎng)頁、微信、微博、抖音等上面觀看的文字、圖片、音視頻等內(nèi)容，實際上都是二進制數(shù)字的長串，也就是說，信息由它們所搭載。當(dāng)把晶體管做到足夠小，進入量子領(lǐng)域的時候，就可以創(chuàng)造出一個同時是開啟和關(guān)閉的疊加態(tài)，也就是信息可以同時是1和0，我們稱為一個量子比特，其能夠搭載的信息量遠超只能表示0或1的經(jīng)典比特。
量子糾纏
除了量子比特能夠搭載更多信息，量子計算機的運算能力遠超經(jīng)典計算機的原因還和量子糾纏有關(guān)。量子糾纏是指當(dāng)幾個微觀粒子相互作用后，各個粒子所擁有的特性已綜合成為整體性質(zhì)，無法單獨描述各個粒子的性質(zhì)，只能描述整體系統(tǒng)的性質(zhì)[3]。簡單來說，量子糾纏就是指系統(tǒng)中多個粒子相互影響的現(xiàn)象。在量子系統(tǒng)中，存在量子關(guān)聯(lián)的多個粒子即使在空間上被分隔開，也能夠相互影響運動狀態(tài)，就像超越時空的“心電感應(yīng)”一樣。這種相互影響一是可以使信息處理速度加快，經(jīng)典計算機100億年可能都算不出來的東西，量子計算機100秒就能算出來;二是可以應(yīng)用于加密和解密信息，提高通信的安全性。
對量子計算研究的大力投入
近年來，政府、媒體、企業(yè)、高校等都對量子計算十分重視，投入了大量資金，成立了多個量子計算研究機構(gòu)，做了相應(yīng)的研究規(guī)劃。
2016年8月，由中國科學(xué)家自主研發(fā)的全球首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”發(fā)射成功，首次實現(xiàn)了衛(wèi)星和地面之間的量子通信。2017年，“墨子號”打破了世界量子糾纏分發(fā)距離的紀(jì)錄，達到1200km，并實現(xiàn)了量子密鑰分發(fā)、量子糾纏分發(fā)、量子隱形傳態(tài)三大目標(biāo)。
“墨子號”發(fā)射成功那年，歐盟也頒布了國家級量子研究計劃。2016年3月，歐盟發(fā)布《量子宣言》;5月，歐盟宣布啟動10億歐元的量子旗艦項目，連同各國和企業(yè)的配套，總經(jīng)費超過30億歐元。張浩在此期間在荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的量子計算實驗室工作。荷蘭也向代爾夫特理工大學(xué)投資1.4億美元研發(fā)量子計算[4]。2017年11月，在“未來和新技術(shù)旗艦項目”會議上，歐盟強調(diào)了量子技術(shù)對加強歐盟未來競爭力的重要作用，量子技術(shù)相關(guān)項目從2018年開始加速。
美國也十分重視量子信息科學(xué)的發(fā)展，每年在量子研究上大約撥款2.5億美元。2018年9月，美國白宮發(fā)布國家量子信息科學(xué)戰(zhàn)略性文件——《國家量子信息科學(xué)戰(zhàn)略概覽》，美國能源部宣布將成立多個國家級實驗室，并為量子信息科學(xué)研究提供2.18億美元的資助，美國國家科學(xué)基金會計劃撥款3100萬美元用于多學(xué)科量子研究;2018年年底，美國國會通過了《國家量子倡議法案》。2019年3月，美國又成立了白宮國家量子協(xié)調(diào)辦公室。2020年2月，美國白宮發(fā)布《美國量子年網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略構(gòu)想》，文件提出，未來5年，美國的公司和實驗室將演示量子網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)科學(xué)和關(guān)鍵技術(shù)，包括量子互連、量子中繼器、量子存儲器等;未來20年，將實現(xiàn)經(jīng)典技術(shù)無法實現(xiàn)的新功能，促進對量子糾纏作用的理解。
此外，英國也在各大高校建立了量子研究中心，投入約2.5億美元培養(yǎng)相關(guān)人才。日本計劃10年內(nèi)在量子計算領(lǐng)域投資3.6億美元[4]。加拿大、澳大利亞等政府也投入了大量資金在量子計算的研究上。
除了國家級的研究計劃，眾多科技巨頭也紛紛加入。谷歌在量子計算領(lǐng)域的研發(fā)已經(jīng)長達10多年，2017年，谷歌便開源了量子計算軟件OpenFermion ，使用者可以利用其改進算法，使之能在量子計算機上運行。2019年10月，谷歌表示其研究團隊使用了實驗性量子計算機，可以在200秒執(zhí)行一個最快的傳統(tǒng)超級計算機需要1萬年才能完成的工作。2020年3月，谷歌與滑鐵盧大學(xué)、大眾汽車等聯(lián)合發(fā)布可快速建立量子機器學(xué)習(xí)模型原型的開源庫TensorFlow Quantum（以下簡稱“TFQ”），其由開源量子電路庫Cirq和機器學(xué)習(xí)平臺TensorFlow兩部分組成[5]，相關(guān)研究人員稱，TFQ可以將量子計算和機器學(xué)習(xí)相關(guān)研究者聚集在一起，為其提供必要工具，來探索可能產(chǎn)生量子優(yōu)勢的新量子算法。
2019年1月，IBM展示了20量子比特的IBM Q System 1，據(jù)稱這是第一臺可商用的量子計算機。這臺設(shè)備的優(yōu)勢在于其具有更強大的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)緊湊性，實用性增強。2019年9月，IBM又推出了可操作53個量子比特的量子計算機[6]。微軟研究團隊也在量子計算上機的最大可行量子加速問題上取得了突破，INTEL也在持續(xù)對量子計算機進行投入與研發(fā)?；裟犴f爾也于2020年3月4日宣布，在未來三個月內(nèi)將發(fā)布全球最強大的量子計算機，其量子體積將至少達到64，預(yù)計是未來業(yè)界排名第二的量子計算機的兩倍。量子體積是用于度量量子計算機性能的指標(biāo)，而不是僅僅以量子比特數(shù)據(jù)作為度量標(biāo)準(zhǔn)。
量子退相干——限制量子計算發(fā)展的主要問題
政府與各科技巨頭都大力投入，但是，通用的、可走進普通百姓家的量子計算機卻遲遲沒有出現(xiàn)，這是為什么呢？
量子計算目前有一個非常巨大的問題，也就是其所依賴的量子疊加態(tài)非常脆弱，只要周圍環(huán)境有一點點干擾，就算這個干擾微乎其微，疊加態(tài)就會立刻被破壞。以薛定諤的貓為例，只要存在微小的干擾，這只貓就會處于死或活的確定狀態(tài)，無法同時又是死的，又是活的。張浩說：“谷歌最先進的量子芯片，創(chuàng)造出的量子疊加態(tài)的持續(xù)時間小于1毫秒，也就是1秒的1/1000，過了這1毫秒之后，就回到經(jīng)典狀態(tài)了，所有的計算必須在這么短的時間內(nèi)完成。這是目前限制量子計算發(fā)展的最大問題，也就是所謂的量子退相干?！?/p>
簡單地從字面上來講，量子退相干就是量子相干性退卻，量子疊加態(tài)之間的相干性消失，也就是從量子世界過渡（塌縮）到經(jīng)典世界，量子疊加態(tài)與量子糾纏失效。
拓?fù)淞孔佑嬎恪鉀Q難題
怎么解決量子疊加態(tài)的不穩(wěn)定性問題呢？張浩所研究的拓?fù)淞孔佑嬎憔褪墙鉀Q這一問題的方法之一，即先構(gòu)造一個特別穩(wěn)定的、不容易塌縮的拓?fù)淞孔颖忍?，用拓?fù)淞孔討B(tài)來儲存和操控量子信息，然后再進行量子計算。
拓?fù)淞孔佑嬎闶墙畮啄臧l(fā)展起來的一門新的學(xué)科方向。其實，在遠古時代，我們?nèi)祟惥鸵呀?jīng)開始利用拓?fù)涞姆€(wěn)定性來記錄信息了，比如結(jié)繩記事——把繩子打成不同的結(jié)，不同的結(jié)代表不同的信息。這個結(jié)是非常穩(wěn)定的，它外在的形式不會被輕易破壞掉。拓?fù)淞孔佑嬎闫鋵嵑徒Y(jié)繩記事的思想沒有什么本質(zhì)的區(qū)別，可以把它理解為量子版本的結(jié)繩記事。量子版的結(jié)繩記事中，粒子的交換和交換的具體路徑?jīng)]有關(guān)系，只和交換的順序有關(guān)，也就是說，兩個粒子是沿著方形的路徑交換，還是圓形的路徑交換，對最終結(jié)果不會造成影響，只要交換的順序一樣，那結(jié)果就是一樣的，對路徑不敏感，這樣的交換操作就會更加穩(wěn)定。然而現(xiàn)實世界中大部分粒子不滿足這種性質(zhì)，只有極少數(shù)理論預(yù)言的粒子可以，比如馬約拉納費米子。
“創(chuàng)造”馬約拉納（Majorana）
量子芯片主要的發(fā)展瓶頸是量子疊加態(tài)不夠穩(wěn)定，而用拓?fù)鋬Υ嫘畔⒑芊€(wěn)定，那是不是直接用結(jié)繩記事的原理去做拓?fù)淞孔佑嬎銠C就行了呢？答案是不行。馬約拉納費米子（Majorana fermion）是制作拓?fù)淞孔佑嬎銠C的關(guān)鍵，但是，馬約拉納費米子在自然界其實是不存在的，需要在實驗室中創(chuàng)造出這種粒子，然后再用這種粒子去做拓?fù)淞孔佑嬎銠C。
馬約拉納費米子是意大利科學(xué)家馬約拉納（Majorana）最早預(yù)言的，當(dāng)年（1937年）馬約拉納預(yù)言了這個粒子后，就登上了一艘游輪，不知去向，這也成為歷史上一個懸案，大家都不知道他去哪里了。但是，他的文章和預(yù)言被大家記住了，大家都在尋找他預(yù)言的粒子。這究竟是一個怎樣的粒子呢？
目前，我們知道的所有的粒子都有它對應(yīng)的反粒子。例如，電子的反粒子是正電子，質(zhì)子的反粒子是反質(zhì)子。而馬約拉納預(yù)言的粒子，它的反粒子就是它本身，即粒子=反粒子。要怎么創(chuàng)造出粒子=反粒子這樣一個東西呢？這要回到量子計算機最核心的一個概念——量子疊加態(tài)。把一個盛滿酒的杯子看成電子，它的反粒子就是“沒有電子”，也就是空穴。這樣，我們可以把沒有盛酒的杯子看作電子的反粒子——空穴，從這個意義上來講，電子不是馬約拉納費米子：因為空杯子和盛酒的杯子狀態(tài)不一樣。如果能創(chuàng)造出一個同時存在電子和空穴的疊加態(tài)，形象來講就是一個盛著半杯酒的杯子，那它就滿足粒子=反粒子這一概念，電子的反粒子是空穴（杯子上半部分的空穴），空穴的反粒子是電子（杯子下半部份的酒），這個杯子作為一個整體就滿足“反粒子是它自身”。這樣一種神奇的粒子就可以形象地認(rèn)為是馬約拉納費米子。
根據(jù)上面的理念，一個電子就可以看成兩個馬約拉納費米子，但是，很可惜，我們知道，電子是不可以分的，斧子劈不開。如果要把兩個馬約拉納費米子在空間上分開，要怎么做呢？
假如把電子排成一串，再引入一些相互作用，比如電子與電子之間有一個吸引作用——我們稱為p-波超導(dǎo)，就可以把分屬兩個不同電子的兩個馬約拉納費米子組成到一塊，形成一個新電子，最左端與最右端會分別遺漏一個馬約拉納費米子，這樣就在空間中把一個電子分成了兩半。雖然p-波超導(dǎo)在現(xiàn)實中不存在，但是，我們可以把一些元素放到一塊兒，讓它們合起來等效于p-波超導(dǎo)。首先，把電子纏成一串，使其形成一個一維電子系統(tǒng);其次，電子需要有強自旋-軌道耦合，電子是有自旋的，會轉(zhuǎn)動，其在運動過程中的轉(zhuǎn)動方向會因為自旋軌道耦合而改變;第三，配對，我們知道電子同性相斥，電子間要怎么相互吸引——引入超導(dǎo)，使每兩個電子形成一對;最后，外加電場和磁場。當(dāng)精確地調(diào)節(jié)這個系統(tǒng)中各個元素的強弱到一定的條件時，就創(chuàng)造出了馬約拉納費米子。
按照上述四種要素，去元素周期表里面找，發(fā)現(xiàn)銦和銻兩種元素組合而成的半導(dǎo)體組成的納米線的結(jié)構(gòu)最合適。接下來就需要去“生長”這種半導(dǎo)體納米線：把一些原材料放到一個腔里，控制一定的溫度和壓強，半導(dǎo)體納米線會像樹木生長一樣，長成一個個納米線森林。單根納米線的長度大概2μm，直徑只有100nm，比我們的頭發(fā)絲細(xì)將近1000倍。
下一步需要引入超導(dǎo)，半導(dǎo)體是沒有超導(dǎo)的，要怎么引入超導(dǎo)呢？通用的方法是把具有超導(dǎo)性質(zhì)的，例如鋁膜，鍍到半導(dǎo)體納米線上，形成一個非常干凈的超導(dǎo)、半導(dǎo)體結(jié)合。這有些類似于近朱者赤近墨者黑，把超導(dǎo)接觸到半導(dǎo)體納米線后，超導(dǎo)的性質(zhì)就會“流”到半導(dǎo)體里面，半導(dǎo)體納米線就變成了超導(dǎo)。
在實驗室中是怎么制備量子器件芯片的呢？張浩介紹：“我們需要在一個非常干凈的房間里，這種房間稱為超凈間，需要把整個人包起來，因為身上掉落的細(xì)小灰塵可能會污染樣品。具體操作上，需要先把一根納米線放到一個芯片上，然后用鑷子捏著這個芯片進行微納米級的加工工藝，然后放上電極，再把芯片放到一個稱為稀釋制冷機的“冰箱”里面，不過這不是普通的冰箱，在芯片放置的地方，這個儀器的溫度可以達到零下273.13℃，接近絕對零度。然后，我們在外部加電場和磁場，進行一些電學(xué)測量，觀察有沒有馬約拉納費米子，有和沒有所得到的電導(dǎo)信號是不一樣的?！?/p>
納米線特別小，其直徑只有頭發(fā)絲的1/1000，是怎么把它一根一根“拿”起來，轉(zhuǎn)移并安裝到芯片上的呢？張浩介紹，他們在實驗室中發(fā)展了一套技術(shù)：用一個非常細(xì)的針尖，在電子顯微鏡下，先把納米線的根部松動一下，然后就可以把納米線推倒;如果有其他納米線阻擋了操作，就要用暴力把它們給移開，移開后，需要拿起并轉(zhuǎn)移的納米線周圍就空曠了;然后通過靜電相互作用的吸引，就可以用針尖把這根納米線提起來，最后完成轉(zhuǎn)移并放到芯片上。這是一個非常細(xì)致的工作，納米線特別敏感，周圍的震動或是有人走動都會對其產(chǎn)生影響。
2012年，荷蘭的研究團隊測到了馬約拉納費米子存在的可能信號，并發(fā)表在《科學(xué)》上，且登上了雜志首頁，也被《科學(xué)》雜志評為2012年十大科技突破之一，引起了巨大關(guān)注。但同時也面臨一些科學(xué)的爭論，比如很快各種各樣的理論和實驗提出了其他的可能物理機制也會導(dǎo)致類似的信號。此外，實驗信號值遠沒有達到馬約拉納的理論預(yù)言值，也預(yù)示著該方向的研究遠沒有結(jié)束。
盛宴已過，何去何從？
張浩是2014年才來到上述實驗室，加入研究團隊，進行拓?fù)淞孔佑嬎阆嚓P(guān)的實驗研究，備受關(guān)注的2012年的工作與成就已經(jīng)過去，用一句時髦的話來說，感覺就是“盛宴已過”，能做的都已經(jīng)做了，那張浩來這里的意義是什么呢？張浩說：“當(dāng)年的工作有很多爭論，既然有爭論，我們就必須繼續(xù)。如果真的想做拓?fù)淞孔佑嬎銠C，我們就必須解決這些爭論，把拓?fù)淞孔悠骷|(zhì)量做得特別好，才能把現(xiàn)有的爭論排除，把納米線做得越來越干凈，把信號做到更加符合馬約拉納預(yù)言的值?！?/p>
經(jīng)過4年的時間，張浩所在的研究團隊把器件的工藝優(yōu)化做得越來越好，幾乎達到了理論的預(yù)言。張浩說，這聽起來似乎特別容易，但是其實耗費了很多人的很多精力。以前，半導(dǎo)體和超導(dǎo)的界面特別特別粗糙，現(xiàn)在，他們把這個界面做得平整又干凈，有多平整呢？“它的變化程度不會高過一個原子層”。界面如果粗糙，電子在里面運動容易散射，而現(xiàn)在幾乎沒有散射的情況了。張浩所在的團隊并不是一下就做到了這樣的進展，是一步一步的優(yōu)化，每一篇小文章的背后，都是他們做實驗的物理工作者無數(shù)個日夜的付出。2018年8月，張浩來到清華大學(xué)，從無到有，一步步搭建實驗室，實驗室于2019年底正常運轉(zhuǎn)起來，張浩希望能夠在接下來的5年內(nèi)努力追上國際一流水平。
除了張浩所做的這個體系，實現(xiàn)馬約拉納費米子的方法還有很多。國際上非常流行的還有3種，近幾年取得的進展都非?？欤ù判栽渔湥╕azdani，2014）、拓?fù)浣^緣體/超導(dǎo)體的結(jié)合（J. -F. Jia ，2015）、拓?fù)滂F基超導(dǎo)體（H. -J. Gao & H. Ding & D. -L. Feng，2018）。
制作拓?fù)淞孔佑嬎銠C需要多領(lǐng)域?qū)＜液献?/p>
目前，我們或許大概真的找到了這個粒子=反粒子的馬約拉納費米子。未來，有望在5～10年，通過不懈努力，有可能實現(xiàn)第一個拓?fù)淞孔颖忍亍?/p>
然而，拓?fù)淞孔佑嬎闶且粋€跨學(xué)科的交叉領(lǐng)域，需要各個領(lǐng)域的專家共同合作。張浩說，其實他個人只做了拓?fù)淞孔佑嬎阒械囊粋€環(huán)節(jié)——微納米級的器件加工和量子測量，此外，還需要和材料科學(xué)家、計算機科學(xué)家、化學(xué)家等合作，相互學(xué)習(xí)，一起把拓?fù)淞孔佑嬎銠C做出來。目前，已經(jīng)有一些大的科技公司聚集了各個領(lǐng)域的專家，在進行相關(guān)研究。和不同領(lǐng)域的專家溝通，也許會因為所長專業(yè)的不同，存在一些溝通障礙，但這也是一個深入了解其他領(lǐng)域，深入學(xué)習(xí)的過程，在張浩看來，這是一個非常有趣的事。
參考文獻
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