具體來說，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)生類似神秘的馬約拉納費米子的效應，創(chuàng)造出模擬半個電子行為的狀態(tài)。這種被稱為“分裂電子”的現(xiàn)象，可能成為推動量子計算技術發(fā)展的關鍵所在。

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

量子力學重新定義微型化電子學

“電子學的微型化如今已經(jīng)發(fā)展到電路組件僅有納米級別的地步。在這個尺度上，規(guī)則完全由量子力學設立，你必須放棄對事物運作方式的直觀理解。”森博士表示：“流經(jīng)導線的電流實際上由大量電子組成，隨著導線尺寸不斷縮小，就可以逐個觀察電子通過。我們現(xiàn)在甚至可以制造出僅用單個電子工作的晶體管。”當一個納米電子電路被設計成讓電子能夠在兩條不同路徑之間進行“選擇”時，就會發(fā)生量子干涉。米切爾教授解釋道：“我們在這些電路中觀察到的量子干涉現(xiàn)象，與著名雙縫實驗中觀察到的量子干涉非常相似。”

探索雙縫實驗中的量子波動奧秘

雙縫實驗是一種“雙路徑實驗”，展示了電子等量子粒子的波動特性，這一發(fā)現(xiàn)直接推動了 20 世紀 20 年代量子力學的發(fā)展。在實驗中，單個電子被射向一個帶有兩個微小孔隙的屏幕，其最終落點被記錄在另一側(cè)的感光板上：由于電子可以同時通過兩條路徑或通過其中任一路徑，從初始點抵達最終點，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。實驗結(jié)果是，最終落點的屏幕上形成了高強度和低強度條紋交替出現(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動的電子可能發(fā)生相消干涉，從而阻止電流的流動，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，通過迫使多個電子足夠靠近，使它們彼此產(chǎn)生強烈的相互排斥作用，量子干涉會隨之改變。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電子被一分為二一樣，表現(xiàn)出了馬約拉納費米子特性。”

馬約拉納費米子與量子計算未來潛力

1937 年，意大利物理學家埃托雷·馬約拉納提出一種預言，假想存在一種正反粒子同體的特殊費米子。由于狀態(tài)穩(wěn)定且遵循特殊的統(tǒng)計規(guī)律，馬約拉納費米子被看作是制造拓撲量子計算機的完美選擇之一。為了捕獲這種粒子，世界各地物理學家潛心追蹤近百年，但受限于理論預言和實驗驗證之間的難度等因素，一直未能如愿，探索馬約拉納費米子也成為國際凝聚態(tài)物理的前沿熱點。2016 年，中國科學家賈金峰團隊率先“捕捉”到這個神秘粒子，這也是全球首次確切探測到馬約拉納費米子的存在。一直以來，由于馬約拉納費米子被上方的超導材料覆蓋，導致“捕捉”成為艱難挑戰(zhàn)。中國科學院院士、上海交通大學物理與天文學院副院長、南方科技大學代理副校長賈金鋒從事拓撲超導量子計算領域研究已近 20 年，面對上述挑戰(zhàn)，賈金峰院士團隊獨辟蹊徑地把超導材料置于下方，使其上方“生長”出拓撲絕緣體薄膜，令拓撲絕緣體薄膜的表面變成拓撲超導體，從而將馬約拉納費米子翻到“明面”上進行o觀察，標志著人類在量子物理學領域取得重大突破。賈金峰院士曾提到，若想操控馬約拉納費米子的移動，還需要物理學和工程學兩個領域的科研人員合作推動。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)可能對新型量子技術的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。“近年來，人們一直在熱切研究馬約拉納粒子，因為它們是拓撲量子計算機的關鍵組成部分之一。”就最新研究突破，都柏林大學物理學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在納米電子器件中生成這些粒子的方法。”