¿Cuál es el significado práctico de que científicos chinos lideren un equipo para buscar "partículas de ángeles"?
El artículo relevante se publicó hoy en la revista Science. Este resultado fue completado conjuntamente por Wang Kanglong de la Universidad de California en Los Ángeles, el profesor Zhang Shoucheng de la Universidad de Stanford y Kou Xufeng de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Shanghai. Los autores de la comunicación son Lin Qing, Kou Xufeng, Zhang Shousheng y Wang Kanglong, todos científicos chinos.
Zhang Shousheng fue entrevistado.
El ganador del Premio Nobel Frank Wilczek comentó sobre este trabajo: Zhang Shousheng y su equipo diseñaron un sistema completamente nuevo y midieron claramente los fermiones de Majorana en el experimento. Realmente un hito.
Compañeros internacionales señalaron que el descubrimiento de los fermiones de Majorana es otro hito después del descubrimiento de la partícula "Dios" (bosón de Higgs), los neutrinos y los gravitones. Su importancia teórica también tiene un importante valor de aplicación potencial: la creación de tecnología cuántica. computar una realidad.
"Misteriosas partículas anfóteras nos han hecho esperar 80 años."
En el campo de la física, la unidad más pequeña y básica de la materia se llama "partícula elemental". Son el volumen más pequeño de materia que no cambia sus propiedades y son la base de varios objetos. Hay dos tipos de partículas elementales: fermiones y bosones, que llevan el nombre del físico estadounidense Fermi y del físico indio Bose, respectivamente.
Tanto los filósofos orientales como los occidentales creen que los seres humanos parecen vivir en un mundo lleno de opuestos: los números positivos deben tener números negativos, los ahorros deben tener pasivos, el yang debe tener yin, el mal debe tener bien y los demonios Debe tener ángeles. En 1928, el gran físico teórico Dirac hizo una predicción asombrosa: cada partícula básica de Fermi en el universo debe tener una antipartícula correspondiente. Según la fórmula masa-energía de Einstein E = mc2, cuando un fermión encuentra su antipartícula, se aniquilarán entre sí, de modo que la masa de las dos partículas desaparece y se convierte en energía.
Desde entonces, cada partícula del universo debe tener su antipartícula, lo que se ha considerado una verdad absoluta. Pero, ¿podría haber una clase de partículas sin antipartículas o partículas andróginas? En 1937, el físico teórico italiano Ettore Majorana especuló en su artículo sobre la existencia de una partícula mágica, que hoy llamamos fermión de Majorana. Desafortunadamente, él mismo hizo esta suposición y luego desapareció misteriosamente durante un viaje en barco. Desde entonces, la búsqueda de esta partícula mágica se ha convertido en el sueño de todo físico.
El físico teórico italiano Ettore Majorana
Los científicos creen que en la física de partículas, los neutrinos fuera del alcance del modelo estándar pueden ser Nafermiones de Majorana. Para verificar esta conjetura, se necesita un experimento de doble desintegración beta sin neutrinos. Desafortunadamente, la precisión requerida para este experimento será difícil de lograr en los próximos 10 a 20 años.
Zhang Shousheng centró su avance en la física de la materia condensada. De 2010 a 2015, el equipo de Zhang Shousheng publicó tres artículos seguidos, prediciendo con precisión el plan experimental para el sistema y la verificación de los fermiones de Majorana. Wang Kanglong y otros equipos experimentales descubrieron con éxito fermiones quirales de Majorana basándose en las predicciones teóricas de Zhang Shousheng, poniendo fin a 80 años de exploración científica.
Zhang Shousheng nombró al fermión quiral Majorana recién descubierto "partícula ángel". Esta partícula proviene de la novela de Dan Brown y su película "Angels and Demons". "Esta obra describe la escena de la explosión de aniquilación de partículas positivas y negativas. Alguna vez pensamos que cada partícula tiene su antipartícula, así como cada ángel tiene su demonio. Pero hoy, hemos encontrado uno sin antipartículas. Partículas, un mundo perfecto con sólo ángeles y no demonios", dijo Zhang Shousheng.
Póster de la película "Ángeles y Demonios".
"Los logros de hoy se basan en el descubrimiento del efecto Hall anómalo cuántico."
¿Cómo resolver el problema que ha plagado a la física durante 80 años? Zhang Shousheng cree que cualquier trabajo de investigación científica se basa en resultados existentes. El descubrimiento de las partículas de ángeles se benefició de la exploración previa del efecto Hall anómalo cuántico y fue el resultado de una combinación de teoría y experimentación.
Al principio, Zhang Shousheng hizo una inferencia basada en el sentido común: dado que los fermiones de Majorana solo tienen partículas y no tienen antipartículas, equivalen a la mitad de las partículas tradicionales.
Rápidamente se dio cuenta de que el concepto de "mitad" era la clave para resolver el problema.
Ya en 2008, la teoría de Zhang Shousheng predijo el efecto Hall anómalo cuántico, y fue confirmada en 2013 por un equipo experimental compuesto por el Departamento de Física de la Universidad de Tsinghua y el Instituto de Física de la Academia China. de Ciencias dirigido por el profesor Xue Qikun de la Universidad de Tsinghua. En el experimento, con el ajuste del campo magnético externo, la película cuántica anómala de efecto Hall mostró una plataforma cuántica, correspondiente a 1, 0 y -1 veces la unidad de resistencia básica E2/h, es decir, la resistencia en el cuanto. El mundo está cuantificado. Sólo se pueden saltar múltiplos enteros de pasos.
Esto le dio a Zhang Shousheng una inspiración: los fermiones de Majorana son la mitad de las partículas ordinarias. Dado que las partículas ordinarias saltan a números enteros, los fermiones de Majorana pueden saltar a semienteros, lo que definitivamente mostrará un extraño "1/2 paso". Por lo tanto, predijo que los fermiones quirales de Majorana existen en dispositivos híbridos compuestos de películas de efecto Hall anómalas cuánticas y películas superconductoras ordinarias. Cuando se coloca un superconductor ordinario sobre una película cuántica anómala de efecto Hall, el efecto de proximidad le permite realizar fermiones quirales de Majorana. Se agregará al experimento correspondiente una nueva plataforma cuántica, correspondiente a 1/2 veces la unidad de resistencia básica E2/h. ..
La plataforma experimental de Zhang Shousheng para buscar fermiones de Majorana: un dispositivo híbrido compuesto por una película de efecto Hall anómala cuántica y una película superconductora ordinaria.
En la verificación experimental posterior, surgieron resultados interesantes: Wang Kanglong y otros equipos experimentales vieron el "medio paso". Esta resistencia semifundamental proviene de las propiedades especiales de los fermiones de Majorana como partículas semitradicionales, por lo que la plataforma cuántica semientera adicional proporciona una fuerte evidencia de la existencia de fermiones quirales de Majorana.
La plataforma de conductancia semicuántica medida por el equipo experimental de Wang Kanglong y el equipo teórico de Zhang Shousheng es consistente con las predicciones teóricas y proporciona evidencia experimental directa y poderosa para el descubrimiento de los fermiones de Majorana.
“La era de la computación cuántica provocada por las partículas de ángeles me llena de entusiasmo y anticipación”.
¿Cuál es el significado práctico de la búsqueda de partículas de ángeles? Zhang Shousheng señaló que a menudo pasan muchos años desde el descubrimiento de la ciencia básica hasta la aplicación de la tecnología, pero el descubrimiento de las partículas angelicales significa que la computación cuántica se ha hecho posible.
Explicó que el mundo cuántico es esencialmente paralelo, y una partícula cuántica puede pasar a través de dos rendijas al mismo tiempo. Por lo tanto, las computadoras cuánticas pueden realizar cálculos altamente paralelos con una eficiencia mucho mayor que las computadoras clásicas. Tomemos como ejemplo los problemas aritméticos. Si se da un número grande y se pregunta si puede ser divisible en el producto de dos números, entonces una computadora clásica sólo puede usar un método exhaustivo para intentar los cálculos de divisibilidad uno por uno, mientras que una computadora cuántica puede completar el cálculo de todos los posibles. elementos simultáneamente en un instante.
Una partícula cuántica puede atravesar dos rendijas al mismo tiempo.
Sin embargo, la información de un qubit es muy difícil de almacenar y un ruido ambiental débil destruirá sus propiedades cuánticas. Por eso, las computadoras cuánticas a menudo se consideran un sueño poco realista.
"Normalmente, los qubits sólo pueden almacenarse en una partícula tradicional y se alteran fácilmente. Pero ahora, el descubrimiento de las partículas angelicales ofrece una maravillosa posibilidad: un qubit puede dividirse en dos y almacenarse en dos fermiones de Majorana. "Por lo tanto, es difícil que el ruido tradicional afecte de la misma manera al mismo tiempo. Dos fermiones de Majorana, destruyendo así la información cuántica almacenada. "En comparación con los métodos de almacenamiento tradicionales, el método de almacenamiento basado en partículas de ángeles es extremadamente estable."
"Nuestro dispositivo propuesto es también un sistema bidimensional que permite entrelazar y tejer los fermiones de Majorana, haciendo efectivo el método cuántico. posible la computación, resolviendo así algunos de los problemas que enfrenta la humanidad”, dijo Zhang Shousheng, “Estoy lleno de entusiasmo y expectativas por el paraíso cuántico donde deambularán las partículas de ángeles”.
Felicitaciones a los científicos chinos por sus logros!