向拓扑量子计算进发：

一个“必然的偶然发现”

在实验室工作的李更中科院物理所供图

■本报记者 倪思洁

2021年8月底的一个深夜，北京北四环边，白日的喧嚣已归于平静，中国科学院物理研究所（以下简称物理所）的灯仍然亮着，实验室里静得只剩下呼吸声。

在一个裹着银色锡纸的仪器边，副研究员李更等待着实验结果。

几乎就在一瞬间，困意彻底远离了他。因为此时的电脑屏幕上，原本应该平整的四方图案出现了竖向的波纹，波纹中还穿插着斜向的条纹。

6月8日，《自然》发表了由这个意外发现引发的新成果：中国科学家在铁基超导材料锂铁砷（LiFeAs）中，观测到大面积、高度有序、可调控的马约拉纳准粒子格点阵列。

该发现被认为“对实现马约拉纳准粒子的编织以及拓扑量子计算具有里程碑的意义”。

科学家们的新理想

“你们想做的拓扑量子计算，到底是什么？”

这是李更常被亲朋好友们问到的问题。

人类对于大规模信息处理需求的剧增，使得量子计算被赋予了极高的期待，“量子计算”四个字也几乎家喻户晓。

但是，很多人不知道，量子计算一直有个让人头疼的问题，即噪声等外界环境的扰动会对量子系统造成影响，使计算过程不可避免地产生并积累错误。

正因如此，科学家们有了一个新的理想——研制“拓扑量子计算机”。

“拓扑量子计算是一种容错率更高的量子计算。”李更说。

然而，要实现拓扑量子计算，不仅要求微观世界的粒子符合一种名为“非阿贝尔统计”的规律，还需要科学家有能力把微观世界里的粒子像编麻花辫一样编织起来。

也就是说，在这个领域，谁有能耐看清并操控微观世界，谁才有可能最先实现拓扑量子计算。

一次意外控制住一种神奇粒子

李更是物理所高鸿钧院士团队中的一员。这支团队虽然规模不大，却是全球最被关注的几支向拓扑量子计算发起挑战的团队之一。

2018年，高鸿钧团队最早在铁基超导材料中观测到一种神奇粒子——马约拉纳准粒子。这种粒子符合实现拓扑量子计算的要求，如果科学家能够编织它，就有可能实现拓扑量子计算。这项成果发表于《科学》，并很快引起国际同行关注。

2020年，他们又在铁基超导材料中观测到马约拉纳准粒子的电导平台，进一步证明了马约拉纳准粒子的存在。该成果又一次发表于《科学》。

这些年，他们一直在各种铁基超导材料中寻找这种神奇粒子的身影。

“铁基超导材料体系存在材料组分不均一、马约拉纳准粒子占比低、阵列无序且不可控等问题。”高鸿钧判断，他们需要找到大面积、高度有序、可调控的马约拉纳准粒子阵列，才能向拓扑量子计算更进一步。

直到2021年8月底的那个夜晚，异常波纹出现了。

李更把情况汇报给高鸿钧，他们讨论后决定给样品加一个垂直的磁场试试。

更奇特的现象出现了。代表马约拉纳准粒子的亮斑，整整齐齐地排列在纵向的波纹上。

李更试着把磁场调得再强一点，马约拉纳准粒子亮斑也随之变得更密。当亮斑越来越近时，它们彼此间还出现了相互作用和关联的迹象。

从那天起，研究团队开始小心翼翼地保持着仪器针尖和样品的位置。

“在找到原因和规律之前，我们一直担心一旦位置挪动就再也看不到这种奇特现象。”李更告诉《中国科学报》。

经过半年摸索，他们把神奇粒子阵列出现的原因锁定在“应力”上。

“自然应力可以诱导晶体产生大面积、高度有序、可调控的马约拉纳准粒子阵列，而这种有序的马约拉纳准粒子阵列可以被外磁场调控。”高鸿钧说。

“为什么别人没有看到？”

去年11月，他们把新发现写成论文投给《自然》。然而，评审人对成果倍感意外：“为什么别人没有看到？”

“该怎么说服审稿人呢？”作为论文共同第一作者的李更一边想，一边看着身边的“老伙计”——裹着银色锡纸的“扫描隧道显微镜”。

显微镜的外观并不起眼。“这是我们自行设计、搭建、组装的仪器。”论文通讯作者高鸿钧说。

从2006年开始，实验室先后设计、建成了三代扫描隧道显微镜。他们使用的那台是第二代仪器，温度可以达到0.4K（-272.75摄氏度），可以给样品加3个方向的磁场，能量分辨可以达到0.3毫电子伏特。

这些数字带来的直观结果是，科研人员可以把原子从分子上切下来，想切几个切几个，想切哪里切哪里。也正因为仪器的超强“视力”，使得他们清清楚楚地看见并操控了马约拉纳准粒子阵列。

就像这个其貌不扬却实力不俗的仪器一样，在高鸿钧团队的实验室里，有很多看似随意实则深思熟虑的地方。“就连用来屏蔽干扰的锡纸该裹在哪里，都是有经验和诀窍的。”高鸿钧指着包裹着仪器的不太美观的锡纸说。

但是，“仪器好”“经验足”并不是能够说服审稿人的科学依据。于是，研究组又用了两个月，在实验室的另一台扫描隧道显微镜上，用另一个锂铁砷材料样品重复出同样的实验结果。

看到重复实验的结果后，审稿人感慨：“我所有的疑问都得到了令人满意的解答。”

“这些结果新颖且令人兴奋。”另一位评审人说。

每年一篇《自然》《科学》论文

对于这次发现，高鸿钧用“必然的偶然发现”来形容。

在他看来，“必然”不仅来自于仪器的高精度，更得益于研究组的高效率。

他的团队有一个很特别的习惯，热衷于在半夜两三点钟工作。“夜深人静的时候，可以避免电噪声、机械噪声对仪器的干扰。”高鸿钧说。

从2018年发现马约拉纳准粒子之后，这些年来，实验团队始终保持着高速运转。

“团队里都是年轻的科研人员和学生，我们工作起来非常高效。从2018年开始，每年在这个方向上都有一篇《自然》或《科学》成果。”高鸿钧说。

此外，对于研究组来说，合作也十分重要。

“这些年来，我们不是打一枪换一个地方的游击式科研，而是和研究所内外的团队联合起来，以建制化的方式不断推进这项研究。”高鸿钧说，此次研究就是与物理所靳常青研究组、美国波士顿学院的汪自强合作的结果。

尽管话语中充满自豪与兴奋，但面对未来，高鸿钧很冷静：“这只是一个阶段性的基础科学进展，基于马约拉纳准粒子的拓扑量子计算还有很长的路要走。”

李更告诉《中国科学报》，下一步，他们要进一步研究应力对双轴电荷密度波的影响，用可控的方法，把超导材料压出双轴电荷密度波条纹。

他们还有一个更远的目标。“让相互靠近的马约拉纳准粒子交换位置，实现对马约拉纳准粒子的编织，向拓扑量子计算再进一步。”高鸿钧说。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1126/science.aao1797

https://doi.org/10.1126/science.aax0274

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04744-8