“天使粒子”有何用

    “天使粒子”、量子自旋霍尔效应、拓扑绝缘体……张首晟到底研究出了什么？有意思的是，可以用他自己的话来形象地解释其理论乃至应用成果。

   “天使粒子”没有对立的反粒子

   一个多月前，这位著名物理学家回到老家上海参加世界顶尖科学家论坛。“从天乾地坤的阴阳学说，到正负电子的微观世界，不论中外都产生了一种正反对应的物质观。”身为华人的张首晟当然更理解物质界的自然平衡，但是，其中也不乏异类。事实证明，与电子只带负电的常识相悖，这世界也存在带有正电的电子。推而广之，人们相信任何基本粒子都存在自己的“反粒子”，当正反粒子在一起时，可能相互湮灭。然而，32岁就宣布离奇失踪的意大利物理学家马约拉纳预见到，必然存在没有反粒子的粒子，或者说，这种粒子的反粒子就是它本身。

   其后，“马约拉纳费米子”的预言持续了整整80年未获实证；2015年，张首晟课题组理论预测出马约拉纳费米子可能存在于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。就在去年，由美国加利福尼亚大学洛杉矶分校和上海科技大学课题组主导，在《科学》杂志上发表了重大发现——终于找到了这种特立独行的“费米子”，这一实验成果的理论部分得到了张首晟团队的支持。

   “我推荐看看这部小说或它的改编电影——《天使与魔鬼》。”面对论坛上的中外专家，张首晟类比了著名畅销书作家丹·布朗描述正反粒子湮灭大爆炸的这部小说，并提出这一新发现的神秘粒子应该被称为“天使粒子”。“我们发现了一个完美的世界，那里只有天使，没有魔鬼。”

   那么，量子世界里的“天使粒子”有什么用？张首晟表示，不论大数据、区块链还是人工智能，其发展离不开新一代量子计算模式。传统电子计算机必须运用穷尽法则才能解算的问题，在高度并行运算的量子计算机上能被轻松“秒算”。因此，他的团队正在基于“天使粒子”开发拓扑量子计算机。

   拓扑量子计算机突破“摩尔定律”

   在他眼中，拓扑量子计算机可以突破摩尔定律即将被超越的瓶颈。

   根据摩尔定律，在价格不变情况下，集成电路上可容纳的元器件数目和性能，每隔18到24个月就会提高1倍。几十年来，全球电子化芯片研发一直遵循摩尔定律；如今，这一定律即将走到尽头。张首晟举例：“电子在芯片里运动，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，导致摩尔定律失效。”怎样才能让“电子跑车”不相互碰撞？张首晟提出了“电子高速公路”方案，让电子在一条条“单向车道”上运行，不就相安无事了吗？循着这一思路，他带领团队深入研究量子霍尔效应、相对论，2006年就提出“量子自旋霍尔效应”构想：电子自旋（好似自转）轨道与其“公转”轨道有神奇“接口”，利用这种特性，科技人员能让芯片里的电子在不同轨道上自旋，就像在不同车道上运行一样。次年，这一理论预言被德国大学实验小组证实；同年又被《科学》杂志评为2007年“全球十大重要科学突破”之一。

   在这一理论基础上，张首晟带领团队预言了一系列名为“拓扑绝缘体”的新材料。他认为，新材料对人类文明进程有重大意义，石器时代、青铜器时代……人类很多时代以材料命名。“我希望我们将迎来拓扑绝缘体时代，研制出半导体新材料、能源新材料，将它们投入实际应用。包括利用拓扑绝缘体制造出量子计算机。”