林深见鹿：马约拉纳费米子 (3/5)

第四章

凝聚态物理中的“准粒子”马约拉纳：从理论到实验室

4.1

凝聚态物理的奇迹：人工合成马约拉纳准粒子

在基本粒子物理中，马约拉纳费米子的探索举步维艰，等待无中微子双β衰变的结果需要漫长的时间。但凝聚态物理学家找到了另一条捷径：在固体材料中，人工合成具有马约拉纳费米子性质的准粒子。

凝聚态物理研究的是固体、液体等多粒子体系的宏观量子现象。在多电子体系中，电子的集体激发会形成“准粒子”，准粒子不是基本粒子，但具有与基本粒子相同的量子性质，如同宏观世界中的“声波”是分子振动的准粒子。凝聚态物理的奇迹，在于可以通过设计材料结构，人工创造出自然界中不存在的准粒子，模拟基本粒子的行为。

2008年，华裔物理学家傅亮与凯恩首次理论预言：在拓扑超导体的边界或缺陷处，会出现一种零能量的准粒子激发，它具有马约拉纳费米子的所有核心性质——反粒子即自身、电中性、零能态，这就是马约拉纳零能模（mzm），也被称为“天使粒子”。

这一理论预言，让马约拉纳费米子从基本粒子的宇宙秘境，走进了实验室的固体材料中，开启了马约拉纳物理的全新纪元。与基本粒子级别的马约拉纳费米子不同，马约拉纳零能模是凝聚态中的准粒子，更容易被实验观测与调控，成为拓扑量子计算的理想载体。

4.2

拓扑超导体：马约拉纳零能模的温床

马约拉纳零能模的诞生，离不开拓扑超导体这一特殊材料。拓扑超导体是一种兼具拓扑绝缘体与超导体性质的量子材料，内部是超导态，边界存在无能隙的拓扑边界态，是马约拉纳零能模的唯一“温床”。

拓扑超导体的核心特性：

1.

超导性：材料内部电阻为零，电子形成库珀对，处于宏观量子相干态，是实现零能模的基础。

2.

拓扑非平庸性：材料的电子结构具有拓扑不变量，边界态受拓扑保护，不受局部杂质、缺陷的干扰，具有天然的稳定性。

3.

自旋-轨道耦合：电子的自旋与运动轨道强耦合，是形成拓扑边界态的关键条件。

天然的拓扑超导体极为罕见，目前实验中主要通过人工异质结构建拓扑超导体：将拓扑绝缘体与超导体接触，利用邻近效应，让拓扑绝缘体的表面层获得超导性；或将超导纳米线与强自旋-轨道耦合材料结合，形成拓扑超导态。

常见的拓扑超导体系包括：锑化铟（insb）纳米线-铝超导体异质结、铋硒化物（bi?se?）-铌超导体异质结、铁基超导体等。这些材料体系，成为了实验观测马约拉纳零能模的核心平台。

4.3

量子反常霍尔效应与拓扑绝缘体的铺垫

马约拉纳零能模的实验探索，离不开拓扑物理的前期突破。20世纪80年代发现的量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应，揭示了物质的拓扑量子态，为拓扑绝缘体的发现奠定了基础。

2013年，中国物理学家薛其坤院士团队首次实验观测到量子反常霍尔效应，在无外磁场的条件下，实现了零损耗的边缘导电态，这是拓扑物理的里程碑式突破，也为拓扑超导体的制备与马约拉纳零能模的探索提供了关键技术与理论支撑。

拓扑绝缘体的内部是绝缘体，表面存在受拓扑保护的金属态，自旋-轨道耦合极强，与超导体结合后，表面态会转化为拓扑超导态，催生马约拉纳零能模。中国科学家在拓扑绝缘体、量子反常霍尔效应领域的领先成果，让中国在马约拉纳物理研究中占据了世界第一梯队。

4.4

实验观测的里程碑：从纳米线到范德华材料

2012年，荷兰代尔夫特理工大学的科维理纳米科学研究所，首次在锑化铟纳米线-铝超导体异质结中，观测到马约拉纳零能模的初步信号，这是人类首次在实验中找到马约拉纳费米子的踪迹，开启了实验探索的黄金时代。

2017年，美国斯坦福大学张首晟团队与中国科学院物理研究所团队，联合宣布在超导-拓扑绝缘体异质结中观测到“天使粒子”，即马约拉纳零能模，得到了国际物理学界的广泛关注。

2022年，中国科学院高鸿钧院士团队，在铁基超导体中首次实现大面积、高度有序、可调控的马约拉纳零能模格点阵列，这是世界上首次实现马约拉纳零能模的大规模阵列化制备，向拓扑量子计算的实用化迈出了关键一步。

2025-2026年，全球多个团队（包括微软station

q、中国科学院、清华大学、上海交通大学等），在范德华二维拓扑超导材料中，实现了马约拉纳零能模的精准调控与读取，实验信号的清晰度与可靠性不断提升，马约拉纳零能模的存在性得到了越来越多的实验证实。

目前，实验观测的核心争议，是如何区分马约拉纳零能模与其他零能杂质态、安德烈夫束缚态。随着实验技术的进步，通过量子隧穿谱、非局域输运测量、编织操作等手段，科学家已经能够精准鉴定马约拉纳零能模的真实信号，凝聚态中的马约拉纳准粒子，已经从理论走向了现实。

第五章

马约拉纳零能模：拓扑量子计算的核心载体

5.1

传统量子计算的困境：退相干与容错

20世纪80年代，费曼提出量子计算的概念，利用量子叠加与量子纠缠，实现远超经典计算机的算力。传统量子计算以量子比特为基本单元，通过电子、光子、超导电路、离子阱等物理体系实现量子态的操控。

但传统量子计算面临着致命的困境：退相干。量子比特的量子态极其脆弱，温度、振动、电磁辐射、杂质等任何环境干扰，都会导致量子态坍缩，失去量子信息，这就是退相干。为了解决这一问题，需要复杂的量子纠错技术，而量子纠错需要大量的物理量子比特（约1000个物理比特编码1个逻辑比特），极大地增加了量子计算机的制备难度与成本。

截至2026年，传统量子计算机仍处于“含噪声中等规模量子（nisq）”阶段，无法实现大规模容错量子计算，退相干成为量子科技产业化的最大瓶颈。而马约拉纳零能模的出现，为解决这一困境提供了终极方案——拓扑量子计算。

5.2

拓扑保护：马约拉纳的天然抗噪优势

拓扑量子计算的核心，是拓扑保护。拓扑学是数学的分支，研究物体在连续形变下保持不变的性质，比如一个甜甜圈与一个咖啡杯，拓扑性质相同（都有一个孔洞）。在量子物理中，拓扑量子态受拓扑不变量保护，不受局部微扰的影响，具有天然的抗干扰能力。

马约拉纳零能模是典型的拓扑量子态，它的量子信息非局域地存储在两个分离的马约拉纳零能模中，而非集中在单个粒子上。局部的杂质、缺陷、噪声，无法改变系统的拓扑性质，也就无法破坏量子信息。这种天然的容错性，让马约拉纳拓扑量子比特无需复杂的量子纠错，理论上可以实现完美的容错量子计算。

简单来说，传统量子比特是“脆弱的肥皂泡”，一碰就破；马约拉纳拓扑量子比特是“坚固的甜甜圈”，局部形变不影响整体拓扑性质，这是拓扑量子计算最核心的优势。

5.3

马约拉纳编织操作：拓扑量子比特的逻辑门

拓扑量子计算的基本逻辑单元，是由两个马约拉纳零能模组成的拓扑量子比特。马约拉纳零能模遵循非阿贝尔任意子统计，交换两个马约拉纳零能模的位置（称为“编织操作”），系统的量子态会发生确定性的变化，这一过程可以实现量子逻辑门的操作。