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超导体|80年前的马约拉纳猜想，和当今火爆的拓扑量子计算有什么关系？( 二 )


有一个理论预言 ， 如果把拓扑绝缘体和超导体放在一起 ， 通过一种巧妙的方式组合起来 ， 就可以组合成拓扑超导体 。
一旦组合出这种拓扑超导体 ， 就可以帮助我们寻找马约拉纳费米子了 。
但是 ， 组合拓扑超导体并不是那么容易 ， 我们在做这个实验之前 ， 有一定的实验积累 。
我们把扫描隧道显微镜和一种叫“分子束外延”的寻找材料方法结合起来 ， 一个原子层一个原子层地去找原子 ， 这样找出来的材料 ， 应该是世界上最好的纯度 。
有了这些技术以后 ， 经过多次反复试验 ， 我们找出了拓扑超导体 ， 并且通过巧妙的设计 ， 把这个拓扑超导体设计成比较有利于实验观察的形式 。
我们实验中使用的扫描隧道显微镜 ， 是目前唯一能够在实空间里看见真实原子的显微镜 ， 它的放大倍数非常大 。
说起来这个显微镜很神奇 ， 但是它的原理很简单 。
在扫描隧道显微镜中 ， 有一根非常尖的针 ， 我们用它去“摸”材料表面 ， 如果原子有起伏 ， 显微镜就能“感觉”出来 。 这就好比我们用手指头在物体表面触摸就能感受它表面的起伏一样 。
超导体|80年前的马约拉纳猜想，和当今火爆的拓扑量子计算有什么关系？
针从表面上划过的时候 ， 我们去测量针和原子之间的电流 。 如果针和原子之间非常近 ， 电流就很大 ， 远 ， 电流就小 ， 这样我们就可以通过观察电流的大小来判断有没有原子 。
另外 ， 我们用的这个针有磁性 。 因此 ， 表面上有磁性的原子和没磁性的原子就可以区别开来 。
这样 ， 我们用扫描隧道显微镜 ， 既可以研究表面上的结构 ， 也可以研究表面上的磁性 ， 对寻找马约拉纳费米子非常有利 。
超导体|80年前的马约拉纳猜想，和当今火爆的拓扑量子计算有什么关系？
这个显微镜就是自旋极化扫描隧道显微镜 。 在此基础上 ， 就可以开始关于马约拉纳费米子的研究了 。
其实 ， 我们的研究也不是那么容易 ， 找到了拓扑超导材料 ， 又有了高级的设备 ， 我们还是花费了好几年的时间来寻找马约拉纳费米子 ， 为什么？
原因就是我们并不知道马约拉纳费米子到底长什么模样 ， 它和普通的超导体有什么区别 。 究竟看见什么样的东西才能确定它是真正的马约拉纳费米子？
摸索了好几年以后 ， 我们终于找到了一种叫做自旋极化电流的东西 。
这就是我们用的拓扑超导样品 ， 其实样品很小 ， 真正起作用的就是中间一小点 。 我们在拓扑超导样品上观察到了自旋极化电流确实是由马约拉纳费米子产生的 。
超导体|80年前的马约拉纳猜想，和当今火爆的拓扑量子计算有什么关系？
通过这个观察 ， 我们证明了马约拉纳费米子的存在 。
马约拉纳费米子与拓扑量子计算
最后我们再来讲一下 ， 马约拉纳费米子的发现对我们有什么用？
我刚才讲了 ， 它可以用来做拓扑量子计算 。
量子计算非常有用 ， 计算速度非常快 ， 其计算能力超过了目前全世界计算能力的总和 。
但是 ， 量子计算并不是那么容易实现的 ， 原因之一就是你想把所有的量子比特纠缠起来并保持一个相当长的时间 ， 再在这段时间之内来完成量子计算 ， 是很困难的 ， 其中有很多噪音、杂质的影响 。 所以到2016年为止 ， 量子计算还没有实现 。
为了克服外界因素的干扰 ， 人们就提出了另外一个实现量子计算的方法 ， 就是拓扑量子计算 。
拓扑量子计算就是利用拓扑性质 ， 来保护量子比特不受干扰 ， 解决纠错等问题 ， 从而使实现量子计算更加容易
但是拓扑量子计算完全是一个假想出来的方案 ， 这个方案需要结合任意子 。 任意子是一种更奇特的东西 ， 它是一种臆想出来的粒子 。
但只有有了任意子 ， 我们才能做拓扑量子计算 。
可喜的是 ， 我们找到的马约拉纳费米子恰恰就是一种任意子 ， 这就是马约拉纳费米子能用于拓扑量子计算的原因 。 所以它是实现拓扑量子计算的一种很好的材料 。
我们希望接着往下研究 ， 能够在近期把马约拉纳费米子弄清楚 ， 用它来做拓扑量子计算 。
其实 ， “马约拉纳费米子能在凝聚态体系中实现”的想法被提出来 ， 很多国家已经开始布局了 。 在马约拉纳费米子的研究以及拓扑量子计算的研究方面 ， 欧美已经投入了大量资金 。
微软从2010年开始投资这个方向 ， 五年为一个周期 ， 现在进入到第二个周期 。 目前拓扑量子计算方法、马约拉纳费米子的研究进展非常快 ， 国际上几十个团队都在研究这个领域 。
我们能够率先找到马约拉纳费米子是非常幸运的一件事 ， 我们希望能够在国家的支持下 ， 接着往前走 ， 希望在五年到十年之内 ， 我们能找出用马约拉纳费米子做的量子比特 ， 然后进一步实现拓扑量子计算 。
通过我的演讲 ， 希望大家能够明白 ， 什么是马约拉纳费米子 ， 马约拉纳费米子有多么重要 ， 找到马约拉纳费米子以后对我们将来的生活有什么样的影响 ， 谢谢大家 。


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