前言

量子計算實際上就是操控一些具有特殊狀態的粒子進行交互併產生量子計算結果的過程。某些我們前所未聞的物質形態可能對形成粒子的特殊狀態非常有利，由

馬約拉納費米子提供的拓撲超導態就是其中一種。

拓撲超導態

除了固態、液態、氣態、等離子態之外，物理學家們最近又發現了一種新的物質狀態——這一突破為提高電子設備的存儲能力和增強量子計算的性能提供了希望。

這種新的物質狀態被稱為：拓撲超導態。這種新的拓撲態可以用於加速量子計算及其存儲速度。

在arXiv的一篇論文中報道這一發現的是在布法羅大學的Igor Zutic和韋恩州立大學的Alex Matos-Abiague。他們的工作主要集中在量子計算方面——量子計算是一種可以以比傳統計算更快的速率進行計算的方法。這是因為傳統的計算機以0和1的形式處理數字位，而量子計算機則用量子位（量子位）表示0和1之間的任何值，從而可以以指數方式提升數據處理的容量和速度。

研究者們分析了量子態從傳統狀態到新的拓撲態的轉變過程，並測量了這些狀態之間的能量壁壘。他們通過直接測量控制新拓撲超導相的有序參數中涉及這種轉換的特徵完成了對理論的完善。

馬約拉納費米子是關鍵

在研究中，他們主要專注於對馬約拉納粒子的研究，這種粒子是其自身的反粒子——具有相同的質量，但電荷相反。科學家們看到了馬約拉納粒子的價值，因為它們有可能用於將量子信息存儲在一個特殊的計算空間中，在這個空間中量子信息可以免受環境噪聲的影響。然而，現已發現的費米子當中並不存在馬約拉納粒子（又被稱為馬約拉納費米子）。因此，研究人員試圖通過設計某種平臺——某種新的材質，即某種“

拓撲超導態”物質， 來實現此種計算。

馬約拉納費米子是一種自身即為反粒子的費米子。 1937年，艾托爾·馬約拉納（Ettore Majorana）提出了這種粒子假設。該術語有時用於指非“狄拉克費米子”，後者描述的費米子不是他們自己的反粒子。

除中微子外，已知所有標準模型費米子都表現為低能量的狄拉克費米子（在電弱對稱性破壞後），並且都不是馬約拉納費米子。 中微子的性質尚未確定，它們可能是狄拉克或馬約拉納費米子。

在凝聚態物理學中，準粒子激發可以被認為是束縛的馬約拉納費米子的表現 ——幾個單個粒子的集體運動，而不是單個粒子，並且它們由非阿貝爾統計決定。

雖然找不到單個馬約拉納費米子，但可以在多個粒子的集體運動中找到類似馬約拉納費米子的特性，因此構建這種多個粒子的集體運動以模擬馬約拉納費米子就成為了操控和利用馬約拉納費米子的關鍵。

馬約拉納費米子可以在零能量下與缺陷形成束縛，然後束縛形成的組合態被稱為馬約拉納束縛態或馬約拉納零模式,這個名稱比馬約拉納費米子更合適（儘管在文獻中並不總是這樣區分），因為這些物質不再遵循費米統計。 相反，馬約拉納束縛態是非阿貝爾任意子的一個例子：交換操作可以改變系統的狀態，其方式僅取決於交換的執行順序。馬約拉納束縛態所擁有的非阿貝爾統計特性允許其被用作拓撲量子計算機的構建單元。

而前述在二維平臺中物質拓撲超導態的新發現為構建可擴展的拓撲量子比特鋪平了道路——因為我們可以更容易得到一堆馬約拉納費米子——在這種狀態中不僅可以存儲量子信息，還可以進行無誤差的量子態的操縱。量子計算又有福了。