张首晟及其团队在7月21日出版的美国《科学》杂志上发表了一项重大发现。在国际物理学界历经80年探索后,他们发现了正反同体的天使粒子—马约拉那费米子。这是继上帝粒子、中微子、引力子后的又一里程碑发现,意味着量子计算已成为可能。

这一发现,验证了由意大利理论物理学家Ettore Majorana在80年前提出的预测——存在一类没有反粒子的粒子。同时也证明了存在一种比量子还小的单位,这将对现在的量子理论带来巨大的改变。

张首晟将这一新发现称为“天使粒子”,这一发现结束了国际物理学界对这一神秘粒子长达80年的漫长追寻。普通群众可能暂时难以理解这一发现,但是对基础物理界来说,这或将开启一个新的时代。

该成果由加利福尼亚大学洛杉矶分校王康隆课题组和美国斯坦福大学教授张首晟课题组、上海科技大学寇煦丰课题组等多个团队共同完成,通讯作者为何庆林、寇煦丰、张首晟、王康隆,均为华人科学家。

只有天使,没有魔鬼的完美世界

在物理学领域,构成物质的最小、最基本的单位被称为“基本粒子”。它们是在不改变物质属性前提下的最小单位。基本粒子又分为两种:费米子和玻色子。

1928年,伟大的理论物理学家狄拉克(Dirac)作出惊人预言:宇宙中每一个基本费米粒子必然有相对应的反粒子。根据爱因斯坦的质能公式,当一个费米子遇上它的反粒子,它们会相互湮灭,从而使两个粒子的质量消失并转化为能量。

会不会存在一类没有反粒子的粒子,或者说正反同体的粒子?1937年,意大利理论物理学家埃托雷·马约拉那(Ettore Majorana)在他的论文中猜测有这样神奇的粒子存在,即我们今天所发现的天使粒子——马约拉那费米子。

科学家们认为,在粒子物理中,标准模型范畴之外的中微子可能是马约拉那费米子。验证这一猜想需要进行无中微子的beta双衰变实验。可惜这项实验所要求的精度在今后的10年到20年以内都难以达到。

华人科学家张首晟把突破口转向凝聚态物理。2010年到2015年间张首晟团队连续发表三篇论文,精准预言了实现马约拉那费米子的体系及用以验证的实验方案。王康隆等实验团队依照张首晟的理论预测,成功发现了手性马约拉那费米子,为持续了整整80年的科学探索画上了圆满的句号。

张首晟将这一新发现的手性马约拉那费米子命名为“天使粒子”,这个名字来源于丹·布朗的小说及其电影《天使与魔鬼》。“过去我们认为有粒子必有其反粒子,正如有天使必有魔鬼。但今天,我们找到了一个没有反粒子的粒子,一个只有天使,没有魔鬼的完美世界。”张首晟说。

量子计算机实现可期 加速人工智能发展

“天使粒子带来的量子计算时代,让我充满兴奋和期待”

一个量子比特的信息非常难以存储,微弱的环境噪声就能毁灭其量子特性。因此,量子计算机往往被视为可望不可即的空想。

“通常情况下,量子比特只能放在一个传统粒子内储存,容易被干扰。但如今,天使粒子的发现提供了一种绝妙的可能性:一个量子比特能够被拆成两半,存储在两个距离十分遥远的马约拉那费米子上。”

张首晟说,如此一来,传统的噪声很难同时以同样的方式影响这两个马约拉那费米子、进而毁灭所存储的量子信息。“相较于传统的存储方式,基于天使粒子的存储方式极其稳固。”

找到天使粒子有什么现实意义?张首晟指出,从基本科学发现到技术应用往往需要多年时间,但天使粒子的发现意味着量子计算已成为可能。

张首晟解释说,量子世界本质上是平行的,一个量子粒子能够同时穿过两个狭缝。因此,量子计算机能够进行高度并行的计算,远比经典计算机有效。以算术问题为例,如果给出一个很大的数字,问这个数字能否拆成两个数字的乘积,那么经典计算机只能用穷举法逐一尝试整除计算,而量子计算机可以在一瞬间同时完成所有可能项的测算。

人工智能的能力来源大数据,人工智能核心资源是计算能力,只有在强大的计算能力支撑下,才能使对大数据的处理速度达到实现人工智能的水平。

多面科学家张首晟对人工智能的理解

就在前不久,第一财经主持人王蕴媞就专访了张首晟教授,在量子计算、人工智能和自动驾驶等方面进行了探讨。

虽然在VC投资上也做得风生水起,但直到现在,张首晟最看重的,还是他作为科学家的这一面。“作为科学家,你可以跟大自然对话,冲在最前面,第一个去发现一些前沿科技,比如量子效应。”张首晟这样解释作为科学家的乐趣。2007年,他所发现的“量子自旋霍尔效应”被《科学》杂志评为当年的“全球十大重要科学突破”之一。而基于他对拓扑绝缘体和量子自旋霍尔效应的开创性研究,张首晟包揽了物理界几乎所有重量级奖项,包括欧洲物理奖、美国物理学会巴克莱奖、国际理论物理学中心狄拉克奖等,他也成为了诺贝尔物理学奖的“种子选手”。同时,张首晟还有一个身份是风险投资人,他的投资公司在创立的半年之后,就将资金规模从两千万美元扩展到近一亿美元,迅速成为了硅谷成长最快的风投公司之一。

对于人工智能的发展,在采访中张首晟做了一个比喻:“比如说人类看到鸟飞的时候,就觉得非常的神奇,我们也想学鸟飞,一开始想飞的办法就是模仿,也是一种仿生学,就是我们在手臂上绑两个翅膀,想着自己能飞起来,这是一个简单的仿生。”但是当我们真正理解了飞行的科学原理,就是物理学的一个最根本的流体力学,一旦有了流体力学的理论基础的理解,我们便可以设计出来飞机,它是飞得远远比鸟好,但它并不一定像鸟,所以这个飞机的出现的真正原因,在于我们对理论基础的理解,从而推动了它的发展,并不是简单的仿生。

在这个意义下,他觉得人工智能现在还处在一个比较简单的仿生的阶段,还是用一个神经元简单地在模仿一个大脑。而他认为人工智能下一步的发展,就像从看到鸟飞变成飞机。“在理论的基础上,未来我们会彻底理解智能的理论基础是什么,一旦理解之后,我们就能够做出一些非常神奇的新的技术。”张首晟这样阐述对于人工智能未来的展望。

对于在无人驾驶领域的先行者谷歌,张首晟并不赞同谷歌的技术路线。

因为他认为按照谷歌的这个思路,发展自动驾驶需要一个高清的三维地图,一个激光雷达。但其实完全没有必要的,支持这个观点的依据是人类驾驶的原理,人开车的时候不需要高性的三维地图,人的脑子上也不会发出激光雷达。所以作为投资人,张首晟投资了一家做自动驾驶的公司,是一个普林斯顿大学教授的研发团队,用一个普通的设备装在车上,不需要激光雷达和三维地图就可以实现无人驾驶。张首晟认为,发展无人驾驶的技术路线一定要有可扩展性,因为激光雷达和高清三维地图都是不可扩展的,人不需要这些就可以实现驾驶,所以原则上计算机视觉达到一定程度以后,就可以实现真正的无人驾驶。