2021年8月底的一個(gè)深夜，北四環(huán)上沒有了白天的喧囂。中國科學(xué)院物理研究所的燈還亮著，實(shí)驗(yàn)室里靜得只剩下呼吸聲。

在一個(gè)裹著銀色錫紙的儀器邊，副研究員李更等待著實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

幾乎就在一瞬間，困意徹底遠(yuǎn)離了他。電腦屏幕上，原本應(yīng)該平整的四方圖案上，出現(xiàn)了豎向的波紋，條紋中還穿插著斜向的條紋。

研究組最初看到的奇特波紋（雙軸電荷密度波）形貌（中科院物理所供圖）

6月8日，《自然》雜志發(fā)表了由這個(gè)意外發(fā)現(xiàn)引發(fā)的新成果：中國科學(xué)家在鐵基超導(dǎo)材料鋰鐵砷（LiFeAs）中，觀測(cè)到大面積、高度有序、可調(diào)控的馬約拉納準(zhǔn)粒子格點(diǎn)陣列。

該發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為“對(duì)實(shí)現(xiàn)馬約拉納準(zhǔn)粒子的編織以及拓?fù)淞孔佑?jì)算具有里程碑的意義”。

科學(xué)家們的新理想

“你們想做的拓?fù)淞孔佑?jì)算，到底是什么？”

這是李更常被親朋好友們問到的問題。

人類對(duì)于大規(guī)模信息處理需求的劇增，使得量子計(jì)算被賦予了極高的期待，“量子計(jì)算”四個(gè)字也幾乎家喻戶曉。

但是，很多人不知道，量子計(jì)算一直有個(gè)讓人頭疼的問題，即噪音等外界環(huán)境的擾動(dòng)會(huì)對(duì)量子系統(tǒng)產(chǎn)生影響，使計(jì)算過程不可避免地產(chǎn)生和積累錯(cuò)誤。

正因如此，科學(xué)家們有了一個(gè)新的理想——研制“拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)”。

“拓?fù)淞孔佑?jì)算是一種容錯(cuò)率更高的量子計(jì)算。”李更說。

然而，要實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑?jì)算，不僅要求微觀世界的粒子符合一種名叫“非阿貝爾統(tǒng)計(jì)”的規(guī)律，還需要科學(xué)家有能力在把微觀世界里的粒子像編麻花辮一樣編織起來。

也就是說，在這個(gè)領(lǐng)域，誰有能耐看清并且操控微觀世界，誰才有可能最先實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑?jì)算。

在實(shí)驗(yàn)室工作的李更（中科院物理所供圖）

一次意外，他們控制住了一種神奇粒子

李更是物理所高鴻鈞院士團(tuán)隊(duì)中的一員。這支團(tuán)隊(duì)不大，卻是全球最被關(guān)注的幾支向拓?fù)淞孔佑?jì)算發(fā)起挑戰(zhàn)的團(tuán)隊(duì)之一。

2018年，高鴻鈞研究組最早在鐵基超導(dǎo)材料中觀測(cè)到一種神奇粒子——馬約拉納準(zhǔn)粒子。這種粒子符合實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑?jì)算的要求，如果科學(xué)家能夠編織它，就有可能實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑?jì)算。這篇成果發(fā)表于《科學(xué)》雜志，并很快引起國際同行關(guān)注。

2020年，他們又在鐵基超導(dǎo)材料中觀測(cè)到馬約拉納準(zhǔn)粒子的電導(dǎo)平臺(tái)，進(jìn)一步證明了馬約拉納準(zhǔn)粒子的存在。成果又一次發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

這些年，他們一直在各種鐵基超導(dǎo)材料中，尋找這種神奇粒子的身影。

“鐵基超導(dǎo)材料體系存在著材料組分不均一、馬約拉納準(zhǔn)粒子占比低、陣列無序且不可控等問題。”高鴻鈞判斷，他們需要找到大面積、高度有序、可調(diào)控的馬約拉納準(zhǔn)粒子陣列，才能向拓?fù)淞孔佑?jì)算更進(jìn)一步。

直到2021年8月底的那個(gè)夜晚，異常波紋出現(xiàn)。

李更把情況匯報(bào)給高鴻鈞，他們討論后決定給樣品加一個(gè)垂直的磁場試試。

更奇特的現(xiàn)象出現(xiàn)了。代表馬約拉納準(zhǔn)粒子的亮斑，整整齊齊地排列在縱向的波紋上。

李更試著把磁場調(diào)得再強(qiáng)一點(diǎn)，馬約拉納準(zhǔn)粒子亮斑也隨著密了起來。當(dāng)亮斑越來越近時(shí)，它們彼此間還出現(xiàn)了相互作用和關(guān)聯(lián)的跡象。

從那天起，研究團(tuán)隊(duì)開始小心翼翼地保持著儀器針尖和樣品的位置。

“在找到原因和規(guī)律之前，我們一直擔(dān)心一旦位置挪動(dòng)就再也看不到這種奇特現(xiàn)象。”李更告訴《中國科學(xué)報(bào)》。

經(jīng)過半年摸索，他們把神奇粒子陣列出現(xiàn)的原因鎖定在“應(yīng)力”上。

“自然應(yīng)力可以誘導(dǎo)晶體產(chǎn)生的大面積、高度有序、可調(diào)控的馬約拉納準(zhǔn)粒子陣列，而這種有序的馬約拉納準(zhǔn)粒子陣列可以被外磁場調(diào)控。”高鴻鈞說。

用磁場調(diào)控大面積有序的馬約拉納準(zhǔn)粒子陣列（中科院物理所供圖）

“為什么別人沒有看到？”

去年11月，他們把新發(fā)現(xiàn)寫成論文投給《自然》雜志。

然而，評(píng)審人對(duì)成果倍感意外：“為什么別人沒有看到？”

“該怎么說服審稿人呢？”作為論文共同第一作者的李更一邊想，一邊看著身邊的“老伙計(jì)”——裹著銀色錫紙的“掃描隧道顯微鏡”。

顯微鏡的外觀并不起眼。“這是我們自行設(shè)計(jì)、搭建、組裝的儀器。”論文通訊作者高鴻鈞說。

從2006年開始，實(shí)驗(yàn)室里先后設(shè)計(jì)、建成了三代掃描隧道顯微鏡。他們使用的那臺(tái)是第二代儀器，溫度可以達(dá)到0.4K（-272.75攝氏度），可以給樣品加3個(gè)方向的磁場，能量分辨可以達(dá)到0.3毫電子伏特。

這些數(shù)字帶來的直觀結(jié)果是，科研人員可以把原子從分子上切下來，想切幾個(gè)切幾個(gè)，想切哪里切哪里。也正因?yàn)閮x器的超強(qiáng)“視力”，使得他們清清楚楚地看見并操控了馬約拉納準(zhǔn)粒子陣列。

就像這個(gè)其貌不揚(yáng)卻實(shí)力不俗的儀器一樣，在高鴻鈞團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)室里，有很多看似隨意實(shí)則深思熟慮的地方。“就連用來屏蔽干擾的錫紙?jiān)摴�在哪里，都是有�?jīng)驗(yàn)、有訣竅的。”高鴻鈞指著包裹著儀器的不怎么有美感的錫紙說。

但是，“儀器好”“經(jīng)驗(yàn)足”并不是能夠說服審稿人的科學(xué)依據(jù)。于是，研究組又用了兩個(gè)月，在實(shí)驗(yàn)室的另一臺(tái)掃描隧道顯微鏡上，用另一個(gè)鋰鐵砷材料樣品，重復(fù)出了同樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

看到重復(fù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果后，審稿人感慨：“我所有的疑問都得到了令人滿意的解答。”

“這些結(jié)果新穎且令人興奮。”另一位評(píng)審人說。

高鴻鈞與掃描隧道顯微鏡（倪思潔攝）

每年一篇《自然》《科學(xué)》的團(tuán)隊(duì)

對(duì)于這次發(fā)現(xiàn)，高鴻鈞用“必然的偶然發(fā)現(xiàn)”來形容。

在他看來，“必然”不僅來自于儀器的高精度，更得益于研究組的高效率。

他的團(tuán)隊(duì)有一個(gè)很特別的習(xí)慣，熱衷于在半夜兩三點(diǎn)鐘工作。“夜深人靜的時(shí)候，可以避免電噪音、機(jī)械噪音對(duì)儀器的干擾。”高鴻鈞說。

從2018年發(fā)現(xiàn)馬約拉納準(zhǔn)粒子之后，這些年來，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)保持著高速運(yùn)轉(zhuǎn)。

“團(tuán)隊(duì)里都是年輕的科研人員和學(xué)生，我們工作起來非常高效。從2018年開始，每年在這個(gè)方向上都有一篇《自然》或《科學(xué)》成果。”高鴻鈞說。

此外，對(duì)于研究組來說，合作也十分重要。

“這些年來，我們不是打一槍換一個(gè)陣地的游擊式科研，而是和研究所內(nèi)外的團(tuán)隊(duì)聯(lián)合起來，以建制化的方式不斷推進(jìn)這項(xiàng)研究。”高鴻鈞說，此次研究就是與物理所靳常青研究組、美國波士頓學(xué)院的汪自強(qiáng)合作的結(jié)果。

盡管話語中充滿自豪與興奮，但面對(duì)未來，高鴻鈞很冷靜：“這只是一個(gè)階段性的基礎(chǔ)科學(xué)進(jìn)展，基于馬約拉納準(zhǔn)粒子的拓?fù)淞孔佑?jì)算還有很長的路要走。”

李更告訴《中國科學(xué)報(bào)》，下一步，他們要進(jìn)一步研究應(yīng)力對(duì)雙軸電荷密度波的影響，用可控的方法，把超導(dǎo)材料壓出雙軸電荷密度波條紋。

他們還有一個(gè)更遠(yuǎn)的目標(biāo)。“讓相互靠近的馬約拉納準(zhǔn)粒子交換位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)馬約拉納準(zhǔn)粒子的編織，向拓?fù)淞孔佑?jì)算再進(jìn)一步。”高鴻鈞說。

科研團(tuán)隊(duì)合影（中科院物理所供圖）

相關(guān)論文鏈接：

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

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

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