馬年說“馬” | 編者按

律回春暉漸，萬象始更新。中國科學(xué)院物理研究所 “策馬” 科學(xué)前沿，陪伴大家迎接熱氣騰騰、蒸蒸日上的馬年新春。

在2026丙午馬年來臨之際，科研人員跟大家一起聊聊“馬”。

每當新年鐘聲敲響，人們常以“馬到成功”寄托對順利與成功的期盼。

在計算科學(xué)的世界里，我們同樣孜孜以求，尋找那匹能突破瓶頸、馳騁創(chuàng)新天地的“神駒”。

經(jīng)典計算機就像一匹在固定賽道上奔跑的馬，每一步都由比特精準確定（0或1狀態(tài)），但只能一條路跑到黑，處理復(fù)雜任務(wù)時難免會遇到算力瓶頸。

為了破解經(jīng)典計算機的算力瓶頸陷入困境，量子計算應(yīng)運而生。這就像為馬匹賦予了“量子魔法”，讓它能夠進行“量子躍遷”——量子比特可以同時處于多種狀態(tài)即“疊加態(tài)”，如同一匹馬能同時出現(xiàn)在多條賽道上并行奔跑，從而帶來指數(shù)級增長的超強算力。

然而，量子比特雖快，卻易受噪聲干擾。馬約拉納零能模的提出，帶來了一支以整體隊形免疫干擾的“拓撲馬隊”——信息不儲存在單匹馬中，而是編碼在它們彼此編織的隊形關(guān)系里，即使個別馬匹受擾，隊形不亂，計算便能繼續(xù)穩(wěn)健前行。

理論預(yù)言

馬約拉納零能模的物理思想源于1937年物理學(xué)家埃托雷·馬約拉納的理論預(yù)言

他提出了一種特殊的費米子——馬約拉納費米子，其顯著特征是粒子與反粒子并無區(qū)別。這一獨特性質(zhì)在理論上引發(fā)了人們對全新量子態(tài)的廣泛興趣，也為后續(xù)研究奠定了重要思想基礎(chǔ)

盡管這種基本粒子至今尚未在自然界中被直接發(fā)現(xiàn)，但科學(xué)家們研究發(fā)現(xiàn)在凝聚態(tài)物理體系中可以出現(xiàn)具有馬約拉納特性的準粒子。當這種準粒子以零能態(tài)的形式被局域在體系的特定位置時，就形成了所謂的馬約拉納零能模

馬約拉納零能?？梢猿蓪Φ胤植荚诳臻g上分離的位置，其量子信息以非局域方式編碼，從而對局域擾動具有天然的魯棒性。正是這種由體系拓撲性質(zhì)所賦予的保護機制，使馬約拉納零能模被視為構(gòu)造拓撲量子比特、實現(xiàn)自容錯量子計算的理想候選

利用馬約拉納零能模構(gòu)筑拓撲量子比特

從理論神駒到實驗?zāi)翀?/strong>

近年來，在從理論到實驗的探索中，中國科學(xué)院物理研究所研究團隊取得了突破性進展。他們利用掃描隧道顯微鏡，在鐵基超導(dǎo)體FeTe0.55Se0.45單晶表面的磁通渦旋中心，首次觀測到了純凈的馬約拉納零能模的關(guān)鍵特征信號——一個高度局域化且尖銳的零偏壓電導(dǎo)峰。

▲大面積、有序可調(diào)的馬約拉納零能模陣

人類對信息處理能力的探索，是一個不斷超越的歷程：從經(jīng)典比特（猶如一匹在固定賽道奔跑的馬）的確定性，到量子疊加態(tài)（如同一匹可同時存在于多條賽道的馬）的概率性，如今正邁向拓撲保護（恰似一支通過整體隊形免疫干擾的馬隊）的穩(wěn)健性。

這一歷程標志著我們的追求進入了更深層次，而馬約拉納零能模的探索，正在開啟通往更強大、更可靠量子未來的大門。

責任編輯：侯茜，李更，張大川

編輯：LYang