天使粒子是什么鬼？寻找它的科学家都神秘离世

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又一天才科学家陨落！

逝去的诺贝尔物理学奖“种子选手”

当地时间2018年12月1日，美国华裔物理学家、斯坦福大学终身教授、美国科学院院士、中科院外籍院士张首晟突然去世，享年55岁。

对于张首晟的去世原因，也是众说纷纭。有人称其是在被FBI约谈后不久离世，也有人称是因为抑郁症，无论原因为何，又一天才物理学家逝去。

张首晟是15岁考入复旦大学物理学系的物理天才，毕业后赴美深造，师从于杨振宁，博士毕业后不久任教于斯坦福大学。

杨振宁在评价爱徒张首晟时直言，“他获得诺贝尔物理学奖只是时间问题”。

张首晟在拓扑绝缘体、量子自旋霍尔效应、自旋电子学、高温超导等领域进行了深入研究，并基本包揽了物理学界重量级奖项：

欧洲物理奖、美国物理学会巴克莱奖、国际理论物理学中心狄拉克奖、尤里基础物理学奖和富兰克林奖章。

“拓扑绝缘体”作为张首晟的重要成果之一，被张首晟形容为“电子高速公路”：

电子在芯片里的运动，就像一辆辆跑车在集市里行驶，不断地碰撞，产生热量。你们把笔记本电脑放在腿上，时间一长就感觉很烫。正是电子间碰撞产生的热量，导致摩尔定律将失效。——AI财经社

拓扑绝缘体就是可以让电子单向行驶而不发生碰撞的“电子高速公路”，电子通过互不干扰的“电子高速公路”，各行其道，避免因碰撞产生的热量，实现在芯片层次低能耗运动，同时将计算机的计算极限约提高一倍。

在 2007 年，张首晟发现的“量子自旋霍尔效应”被《Science》杂志评为当年的“全球十大重要科学突破”之一。

“量子自旋霍尔效应”找到了电子自转方向与电流方向之间的规律，利用这个规律可以使电子以新的姿势非常有序地"舞蹈"，从而使能量耗散很低。

追寻“Majorana费米子”的80年

2017年7月，继“拓扑绝缘体”、“量子自旋霍尔效应”之后，张首晟又迎来了新的重大成果，其与几位华人科学家发现了“天使粒子”，这是继“上帝粒子”、中微子、引力子之后量子物理的又一里程碑发现。

在物理学中，12种基本粒子被分成两大家族：电子、质子等8种粒子组成的费米子家族和光子、介子等4种粒子组成的玻色子家族。

其实，张首晟并不是第一位探究“粒子”的科学家，早在1928年，物理学家保罗·狄拉克（Paul Dirac）就曾作出预测。

但狄拉克预测，宇宙中每一个基本粒子必然有与其相对应的反粒子，当这对电荷相反的“双胞胎”相遇时，它们会湮灭，同时释放出一股能量。

在狄拉克提出的预测基础上，1937年，意大利理论物理学家埃托雷·马约拉纳（Ettore Majorana）真正明确提出了“天使粒子”的雏形，在他的预测中，宇宙中存在一种被称为“费米子”的粒子中，应该存在部分粒子，它们自身就是自己的反粒子。

本以为提出这一大胆猜想后，马约拉纳会好好研究一番，但戏剧化的是，1938年，马约拉纳却神秘失踪了。

据悉，马约拉纳当时支领了半年的薪水，带上重要的科研笔记，坐上了前往意大利西西里首府巴勒莫的船渡，至于是去旅行，还是去探望好友赛格雷，无人得知，只是自此之后再也没人见过他。

随着马约拉纳一同消失的，还有Majorana费米子的研究。在此后物理学界80多年来，这一研究始终停留在猜想阶段，并没有发现予以支撑，也就不了了之。

终于，在2017年，张首晟及其团队在拓扑绝缘体和超导体组成的系统中发现了手性Majorana费米子的存在，并根据小说《天使与魔鬼》将其命名为“天使粒子”，寓意一个只有天使，没有魔鬼的世界，以修正古典哲学有正必有反，有阴必有阳的理论。

“天使粒子”使量子计算成为可能

在微观世界，证实一种粒子的存在必须有切实的发现。那么“天使粒子”是怎么发现的？其在实际生活中有什么用呢？

通常粒子的电导有一个整数倍的效应，比如0、1、2，但是如果“天使粒子”存在的话，由于没有反粒子，可以将它看作通常粒子的一半，也就是在1/2时会出现一个全新的信号，在测试中就会出现半整数量子平台。

后经过验证，张首晟团队确实在一种由量子反常霍尔效应薄膜和普通超导体薄膜组成的混合器件中发现了这种痕迹，证实了Majorana费米子，也就是“天使粒子”的存在。

发现手性Majorana费米子

“天使粒子”的发现，使得量子计算成为可能。大家都知道，相较于传统计算机的串行运算，量子计算机采用并行运算，能够将巨型的计算量在瞬间完成，速度惊人。

虽然量子计算机具有如此高的性能，但是量子计算的粒子状态并不稳定，量子比特的信息难以存储，特别容易受干扰，往往一点环境噪声就能破坏量子特性。

现在，如果通过相当于半个传统粒子的“天使粒子”，就可以将一个量子比特拆分存储在两个“天使粒子”上，保持稳定的状态，同时不受环境噪音所干扰，这将大大推动量子计算的发展。

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刘鹏教授，清华大学博士毕业，现任南京大数据研究院院长、中国大数据应用联盟人工智能专家委员会主任，兼任中国信息协会大数据分会副会长、中国大数据专家委员会委员、中国大数据技术与应用联盟副理事长，同时也是云计算世界（chinacloud.cn）、大数据世界（thebigdata.cn）网站的创始人，《云计算》、《大数据》教材主编。