中國科學院院士、中國科學技術大學教授郭光燦領導的中科院量子信息重點實驗室在馬約拉納費米子研究方面取得新進展。該實驗室李傳鋒、許金時、韓永建等與其合作者利用線性光學量子模擬器，首次實驗揭示了馬約拉納費米子的非阿貝爾量子統計特性，并進一步演示了編碼到馬約拉納零模的量子信息對局域噪聲的免疫特性，為實現拓撲量子計算提供了一種有效的途徑。該研究成果于10月25日發表在《自然-通訊》上。文章第一作者為許金時。
量子力學教科書告訴我們，微觀粒子分為費米子和玻色子兩類，他們可以用兩個全同粒子交換后總體波函數的變化加以區分。如果兩個全同粒子的整體波函數在交換后不變，則是玻色子，符合玻色-愛因斯坦統計，比如光子等；如果交換后的整體波函數多出一個負號，則是費米子，符合費米-狄拉克統計，比如電子等。這些交換后僅僅多出一個整體相位的粒子都滿足阿貝爾量子統計。然而大自然奧妙無窮，還可能存在另一類粒子，它們交換之后整個的波函數會經歷一個幺正變換（不僅僅是多出一個整體的相位）。1937年，意大利物理學家馬約拉納基于相對論和量子力學提出了一種新奇粒子，現在稱為馬約拉納費米子。馬約拉納費米子的反粒子是其自身，更令人矚目的是它具有非阿貝爾量子統計特性，即兩個馬約拉納費米子交換后等價于對總體波函數做一個幺正變換。
馬約拉納費米子提出近80年來，科學家們一直致力于尋找這一神秘的粒子。有人猜測中微子可能是一種馬約拉納費米子，可是要交換兩個中微子驗證其量子統計特性是極其困難的。近年來的理論研究表明，凝聚態系統中的馬約拉納零模是具有馬約拉納費米子特性的準粒子，它是實現長時間量子存儲和拓撲量子計算的理想載體。實現馬約拉納零模的交換是確定它的統計特性以及實現拓撲量子計算的關鍵步驟。盡管在凝聚態系統中實驗物理學家們進行了長期的探索研究，已找到一些表明馬約拉納零模存在的證據，但依然沒有實現關鍵性的交換操作和量子統計特性的研究。
量子模擬器是專用的量子計算機，通過設計專門的量子邏輯線路有效地解決特殊的問題。李傳鋒研究組近年來自主研發出線性光學量子模擬器并取得一系列研究進展，積累了豐富的經驗。該實驗中他們巧妙地設計出一個基于耗散的四量子比特（三個工作比特加一個輔助比特）的線性光學量子模擬器，利用它有效地產生Kitaev模型（存在馬約拉納零模的最簡單模型）中的馬約拉納零模，并通過耗散過程有效地移動馬約拉納零模，進而完成兩個馬約拉納零模的交換操作，并由此驗證了馬約拉納零模的非阿貝爾統計特性。他們還進一步演示了編碼到馬約拉納零模的量子信息對局域噪聲的免疫特性。實驗中每項模擬過程的保真度都在94%以上。
該成果對量子統計、拓撲量子計算和馬約拉納費米子的研究具有重要的推動作用。同時，這種基于耗散的量子模擬器也拓展了線性光學量子模擬器的能力。
該工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院和量子信息與量子科技前沿協同創新中心的資助。
馬約拉納費米子交換示意圖