物理界神秘粒子“捕手”：他的发现将如何影响我们的生活？

作为找到打开拓扑量子计算机大门“钥匙”的科学家，这位神秘粒子“捕手”是如何找到马约拉纳费米子的，未来他还将如何“操控”它们？

编者按：

随着我国深入实施创新驱动发展战略，科技自立自强的重要性愈发显现。要解决“卡脖子”的技术短板，基础研究和前沿技术突破是关键，而其中最核心的，是要有高水平科学家及团队来提出问题、解决问题。

每一项重大科学成果的背后，是一个个鲜活有趣的科学家。对于这群“板凳甘坐十年冷”的群体，第一财经策划推出融媒体产品《原来你是这样的科学家》，通过长期跟踪采访，走近这些追逐“星辰大海”的科研工作者。 

提到“马约拉纳费米子”？很多人乍看可能一头雾水。

马约拉纳费米子是意大利物理学家马约拉纳在1937年提出的预言，即这个奇异的粒子作为一种特殊的存在，粒子本身与它的反粒子完全相同。之后的80年里，全球物理学家一直在找寻这个“正反同体”粒子存在的证据，但并无结果。

突破发生在2016年，中国科学家贾金锋团队率先“捕捉”到了这个神秘粒子，在世界上首次确切探测到马约拉纳费米子的存在，也意味着人类在量子物理学领域取得了一个重大突破，这个发现不仅有助于量子计算机的研制，给信息科技带来革命性变化，还能进一步揭开暗物质的谜团。

“我们正在做这件事情，就是要把马约拉纳费米子的性质了解清楚，然后能够操控它，想让它在哪里出现就在哪里出现。如果做到了这一点，我们就可以用它来做拓扑量子计算了。”中科院院士、上海交通大学物理与天文学院副院长、南方科技大学代理副校长贾金锋近日接受第一财经独家专访时说。

就在今年3月，贾金锋和郑浩团队的科研成果“实验证实超导态'分段费米面’”入选了2022年度“中国科学十大进展”，为超导计算机的核心部件之一超导二极管的研制提供了一种可能的理论路径。

作为找到打开拓扑量子计算机大门“钥匙”的科学家，这位神秘粒子“捕手”是如何找到马约拉纳费米子的，未来他还将如何“操控”它们？

图为贾金锋 摄影/任玉明

凝聚态物理和我们的生活有什么关联

物理作为一门研究自然界基本规律的科学，不仅揭示自然界中许多现象背后的原理和机制，也是支撑人类科技发展的关键。在贾金锋看来，虽然从事的是物理领域研究，不过他主攻的凝聚态物理领域工作主要是研究各种各样的材料，因此也和国民经济生活息息相关。

作为物理学的一大分支，凝聚态物理是一个高度多元化的研究领域，不仅涵盖了超导体、磁性材料和半导体等相对传统的研究方向，也包含一些新兴的前沿研究方向，如拓扑物理、界面超导、量子反常霍尔效应，还包含了各种复杂凝聚体系的研究，如新型生物与能源材料。

“我觉得20世纪人类最大的两个发现，一个是激光，一个是计算机，这两个都属于凝聚态物理研究的成果。”贾金锋告诉记者，比如半导体、由此产生的晶体管以及后来的集成电路，随之诞生的各种各样的信息科技，包括计算机、手机等，都和凝聚态物理紧密相关。除此之外，他们还研究磁有关的现象，以及超导研究。“凝聚态物理领域吸引了很多人，我自己也是对这个领域感兴趣一直做到现在。”

从2008年算起，贾金锋已经从事拓扑超导量子计算领域研究15年，接下来他们还要继续研究如何操控这个“神秘粒子”。“追踪到费米子是一个非常大的进展，我们还要继续研究它的性质，并对它进行操控，想让它去哪里就去哪里。”

迄今为止，全球并未制造出真正意义上的量子计算机，其中一个重要原因就是用于量子计算的粒子的量子态并不稳定，而马约拉纳费米子这种正反粒子同体的特殊存在使得它的状态非常稳定。这些属性或成为实现量子计算机制造的钥匙，帮助人类打开拓扑量子计算时代，届时眼下超级计算机需要耗费巨大算力才能处理的问题，对于量子计算机来说是小菜一碟。

不过，找到马约拉纳费米子已经如此不易，操控是否更难？

“马约拉纳费米子并不是一个传统意义上的粒子，而是一种准粒子，但它同样符合马约拉纳的预言，准粒子是凝聚态物理中一个重要概念。”贾金锋介绍。

之所以捕捉到马约拉纳费米子的过程如此难，正是由于它被上方的超导材料覆盖。贾金锋团队则独辟蹊径把超导材料放在了下面，使它上方“生长”出了拓扑绝缘体薄膜，让拓扑绝缘体薄膜的表面变成拓扑超导体，把马约拉纳费米子从“暗处”翻到了“明面”上来观察。在经历无数次的实验和验证后，他们率先观测到了在超导涡旋中马约拉纳费米子的踪迹，实验中还创新性地测量了马约拉纳费米子的空间分布及自旋特性，这些方法目前在国际上被广泛使用。

他解释，想要操控马约拉纳费米子的移动，还需要物理学和工程学两个领域的科研人员一起来推动。“操控移动应该几年内就能实现，但是更难的是实现操控后要对结果进行测量，看看是不是和理论相符合，这些都是以前没人做过的研究。不过如果实现了这些目标，我们就可以用它来做拓扑量子计算。”

科研不能盲从、追热点

虽然物理学是人类知识架构的基础，但由于做相关基础研究往往短期难以收获质的突破，所以不是年轻人心中的热门选择，贾金锋也在日常科普和讲座中打破一些关于“学物理苦”的刻板印象。

图为贾金锋 摄影/任玉明

从1983年考入北京大学物理系算起，贾金锋已经从事物理学研究40年，在他看来，基础研究在整个创新链中至关重要，尤其物理是非常有用且有意思的一门学科，它的每一个进步都会给社会带来一些变化。

以日常用的硬盘来说，之所以现在硬盘存储容量大而且携带便利，就是因为人们了解到了“巨磁阻效应”。“我记得大概上世纪八九十年代，一个大大的硬盘存储容量只有几十兆，现在一个小小的硬盘就可以做到很多T，这种进展就来源于物理学。”贾金锋说。

不久前，他在一所中学给同学们作了场《为什么要学物理》的讲座，勉励学子们将来要积极投身物理学等领域的科研工作。“通过这个讲座想让他们知道学物理是非常好的一个选择，虽然它有挑战。不过人生中必须要有挑战，有挑战才有意思。”

贾金锋还提到：“学物理多年以前是很辛苦的，现在我们国家条件好了，从科研经费到科研仪器都有了大进步，特别是近年来对科技人才发展愈加重视，我们做基础研究的收入也不比别的行业差。”

在他看来，眼下比经费和先进仪器更重要的，是社会上关于基础研究的整体氛围。“当全社会的人都意识到基础研究的重要性，不用我们再宣传做基础研究就会认识到它很重要，并自发地去加强基础研究，和做基础研究的人合作，推进各行各业的发展，这个环境就很好了。”

对于想从事科学研究的年轻人来说，贾金锋也给出了过来人的建议。他说，做科研，特别是做基础研究，必须要有新的想法，不能去重复别人的工作，也一定不要追热点。“最重要的是要坚持自己的想法，只有你坚持自己的想法，然后去做自己认为重要的事情，才会有突破。”除此之外，就是要沉得住气。“人家都不去做这个东西，你就要能静得下来，也就是能坐冷板凳，一旦做出来，这就是你的原始创新了。”