相關論文發表在今天出版的《科學》雜誌上。該成果由加州大學洛杉磯分校的王康龍、斯坦福大學的張首晟教授和上海科技大學的寇旭峰等共同完成。來文提交人是林青、寇旭峰、張首晟和王康龍，他們都是中國科學家。
張首晟接受了采訪。
諾獎得主弗蘭克·維爾澤克評價這項工作時說:張首晟和他的團隊設計了壹個全新的系統，並在實驗中清晰地測量到了馬約拉納費米子，這真的是壹個裏程碑。
國際同行指出，馬約拉納費米子的發現是繼“上帝”粒子(希格斯玻色子)、中微子和引力子發現之後的又壹裏程碑，不僅具有重大的理論意義，還具有重要的潛在應用價值:使量子計算成為現實。
"神秘的兩性粒子讓我們等了80年."
在物理學領域，物質的最小、最基本的單位叫做“基本粒子”。它們是不改變性質的最小體積物質，也是各種物體的基礎。基本粒子有兩種:費米子和玻色子，分別以美國物理學家費米和印度物理學家玻色命名。
東西方的哲學家都認為，人類似乎生活在壹個充滿對立的世界:正數必然有負數，存款必然有負債，陽必然有陰，惡必然有善，魔必然有天使。1928年，偉大的理論物理學家狄拉克做出了壹個驚人的預言:宇宙中的每壹個基本費米粒子都必然有壹個對應的反粒子。根據愛因斯坦的質能公式E = mc2，當壹個費米子遇到它的反粒子時，它們會相互湮滅，這樣兩個粒子的質量就消失了，轉化為能量。
從此，宇宙中的每壹個粒子都必定有它的反粒子，這被奉為絕對真理。但是，會不會有壹類沒有反粒子的粒子，或者雌雄同體的粒子？1937年，意大利理論物理學家埃托雷·馬約拉納在他的論文中推測存在這樣壹種神奇的粒子，我們今天稱之為馬約拉納費米子。不幸的是，他自己做出了這個猜測，然後在壹次乘船旅行中神秘失蹤。從此，尋找這種神奇的粒子成了物理學家的夢想。
意大利理論物理學家埃托雷·馬約拉納
科學家認為，在粒子物理學中，標準模型範圍之外的中微子可能是馬約拉納費米子。為了驗證這個猜想，需要進行沒有中微子的β雙衰變實驗。遺憾的是，這個實驗所要求的精度在未來10到20年內很難達到。
張首晟將突破口轉向凝聚態物理。從2010到2015，張首晟團隊連續發表了三篇論文，準確預言了實現馬約拉納費米子的系統和驗證的實驗方案。王康龍等實驗團隊根據張首晟的理論預言成功發現了手征馬約拉納費米子，結束了長達80年的科學探索。
張首晟將新發現的手征馬約拉納費米子命名為“天使粒子”，這個粒子來源於丹·布朗的小說和他的電影《天使與魔鬼》。“這部作品描述了正負粒子湮滅爆炸的場景。我們曾經認為每個粒子都有它的反粒子，就像每個天使都有它的魔鬼壹樣。但是今天，我們找到了壹個沒有反粒子的粒子，壹個只有天使沒有惡魔的完美世界。”張首晟說。
電影《天使與魔鬼》海報。
"今天的成就是基於量子反常霍爾效應的發現."
困擾物理學80年的問題是如何解決的？張首晟認為，任何科學研究工作都是建立在已有成果的基礎上的。天使粒子的發現得益於之前對量子反常霍爾效應的探索，也是理論和實驗相結合的結果。
起初，張首晟根據常識做了壹個推論:由於馬約拉納費米子只有粒子，沒有反粒子，所以相當於傳統粒子的壹半。他很快意識到“壹半”的概念是解決問題的關鍵。
早在2008年，張首晟的理論就預言了量子反常霍爾效應，並在2013年被清華大學薛其坤教授領導的清華大學物理系和中科院物理所組成的實驗團隊證實。實驗中，隨著外加磁場的調節，反常量子霍爾效應薄膜呈現量子平臺，對應1，0和-1倍基本電阻單位E2/h..換句話說，量子世界裏的電阻是量子化的，只能跳整數倍的步。
這給了張首晟壹個靈感:馬約拉納費米子是普通粒子的壹半。既然普通粒子是整數跳躍，那麽馬約拉納費米子就可能是半整數跳躍——壹定會呈現出奇怪的“1/2步”。因此，他預言手征馬約拉納費米子存在於由量子反常霍爾效應薄膜和普通超導體薄膜組成的混合器件中。當普通超導體放在反常量子霍爾效應薄膜上，鄰近效應使其能夠實現手征馬約拉納費米子，相應的實驗中會增加壹個全新的量子平臺，對應1/2倍基本電阻單位E2/h..
張首晟尋找馬約拉納費米子的實驗平臺:由量子反常霍爾效應薄膜和普通超導體薄膜組成的混合裝置。
在隨後的實驗驗證中，令人振奮的結果出現了:王康龍等實驗團隊確實看到了“1/2步”。這種半基本阻力來自於馬約拉納費米子作為半傳統粒子的特殊性質，因此額外的半整數量子平臺為手征馬約拉納費米子的存在提供了有力的證明。
王康龍實驗團隊與張首晟理論團隊合作測量的半量子電導平臺與理論預測壹致，為馬約拉納費米子的發現提供了直接有力的實驗證據。
“天使粒子帶來的量子計算時代，讓我充滿了興奮和期待。”
尋找天使粒子有什麽實際意義？張首晟指出，從基礎科學的發現到技術的應用往往需要很多年，但天使粒子的發現意味著量子計算已經成為可能。
他解釋說，量子世界本質上是平行的，壹個量子粒子可以同時通過兩個狹縫。所以量子計算機可以進行高度並行的計算，效率遠高於經典計算機。以算術題為例。如果給定壹個大數，問它能否被整除為兩個數的乘積，那麽經典計算機只能用窮舉法逐個嘗試整除計算，而量子計算機可以在瞬間同時完成所有可能項的計算。
壹個量子粒子可以同時通過兩個狹縫。
然而，壹個量子比特的信息是非常難以存儲的，微弱的環境噪聲會破壞它的量子特性。所以量子計算機往往被認為是不切實際的夢想。
“正常情況下，量子比特只能存儲在壹個傳統的粒子中，很容易被幹擾。但現在，天使粒子的發現提供了壹種奇妙的可能性:壹個量子比特可以被壹分為二，存儲在馬約拉納的兩個費米子上，這兩個費米子距離非常遠。”
張首晟說，因此，傳統噪聲很難同時以相同的方式影響兩個馬約拉納費米子，從而破壞存儲的量子信息。"與傳統的存儲方法相比，基於天使粒子的存儲方法極其穩定."
“我們提出的裝置也是壹個二維系統，它允許馬約拉納費米子的糾纏和編織，使有效的量子計算成為可能，從而解決了人類面臨的壹些難題。”張首晟說，“我對天使粒子巡遊的量子天堂充滿了興奮和期待。”
祝賀中國科學家取得的成就！