具体来说，在量子干涉下，纳米电子电路允许电子选择路径并与自身发生干涉，从而产生类似神秘的马约拉纳费米子的效应，创造出模拟半个电子行为的状态。这种被称为“分裂电子”的现象，可能成为推动量子计算技术发展的关键所在。

该研究最近发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上，由都柏林大学物理学院的安德鲁·米切尔教授和丹巴德印度理工学院的苏德什娜·森博士领导，两位都是专注于纳米级电子电路量子特性的理论物理学家。

量子力学重新定义微型化电子学

“电子学的微型化如今已经发展到电路组件仅有纳米级别的地步。在这个尺度上，规则完全由量子力学设立，你必须放弃对事物运作方式的直观理解。”森博士表示：“流经导线的电流实际上由大量电子组成，随着导线尺寸不断缩小，就可以逐个观察电子通过。我们现在甚至可以制造出仅用单个电子工作的晶体管。”当一个纳米电子电路被设计成让电子能够在两条不同路径之间进行“选择”时，就会发生量子干涉。米切尔教授解释道：“我们在这些电路中观察到的量子干涉现象，与著名双缝实验中观察到的量子干涉非常相似。”

探索双缝实验中的量子波动奥秘

上海油压工作室双缝实验是一种“双路径实验”，展示了电子等量子粒子的波动特性，这一发现直接推动了 20 世纪 20 年代量子力学的发展。在实验中，单个电子被射向一个带有两个微小孔隙的屏幕，其最终落点被记录在另一侧的感光板上：由于电子可以同时通过两条路径或通过其中任一路径，从初始点抵达最终点，因此两条路径的程差促使其量子态发生相移，因此产生干涉现象。实验结果是，最终落点的屏幕上形成了高强度和低强度条纹交替出现的干涉图样。由于相消干涉，在某些位置找到电子的概率可能为零——这就好比两列波的波峰与波谷相遇并完全抵消的过程。米切尔教授表示：“在纳米电子电路中也是如此。沿着电路不同路径运动的电子可能发生相消干涉，从而阻止电流的流动，这种现象此前已在量子器件中被观察到。而我们发现的新现象是，通过迫使多个电子足够靠近，使它们彼此产生强烈的相互排斥作用，量子干涉会随之改变。尽管电路中仅有电子这一种基本粒子，但它们的集体行为却像单个电子被一分为二一样，表现出了马约拉纳费米子特性。”

马约拉纳费米子与量子计算未来潜力

1937 年，意大利物理学家埃托雷·马约拉纳提出一种预言，假想存在一种正反粒子同体的特殊费米子。由于状态稳定且遵循特殊的统计规律，马约拉纳费米子被看作是制造拓扑量子计算机的完美选择之一。为了捕获这种粒子，世界各地物理学家潜心追踪近百年，但受限于理论预言和实验验证之间的难度等因素，一直未能如愿，探索马约拉纳费米子也成为国际凝聚态物理的前沿热点。2016 年，中国科学家贾金峰团队率先“捕捉”到这个神秘粒子，这也是全球首次确切探测到马约拉纳费米子的存在。一直以来，由于马约拉纳费米子被上方的超导材料覆盖，导致“捕捉”成为艰难挑战。中国科学院院士、上海交通大学物理与天文学院副院长、南方科技大学代理副校长贾金锋从事拓扑超导量子计算领域研究已近 20 年，面对上述挑战，贾金峰院士团队独辟蹊径地把超导材料置于下方，使其上方“生长”出拓扑绝缘体薄膜，令拓扑绝缘体薄膜的表面变成拓扑超导体，从而将马约拉纳费米子翻到“明面”上进行o观察，标志着人类在量子物理学领域取得重大突破。贾金峰院士曾提到，若想操控马约拉纳费米子的移动，还需要物理学和工程学两个领域的科研人员合作推动。如果能够在电子器件中生成并操控马约拉纳粒子，这一发现可能对新型量子技术的发展产生重大影响。“近年来，人们一直在热切研究马约拉纳粒子，因为它们是拓扑量子计算机的关键组成部分之一。”就最新研究突破，都柏林大学物理学院的米切尔教授表示：“我们或许已经找到了一种利用量子干涉效应在纳米电子器件中生成这些粒子的方法。”