理論物理學家們提出了一種新型粒子的存在，這種粒子不符合費米子和玻色子的傳統分類。他們的“準粒子”於1月8日在《自然》雜誌上進行了描述，雖然不是第一個被提出的此類粒子，但對其進行詳細數學建模可能促成相關實驗，從而可以在量子計算機中建立它。這項研究還表明，未被發現的基本準粒子可能存在於自然界中。
在去年年底發表於《科學》雜誌的另一項獨立進展中，物理學家首次在一個虛擬的一維宇宙中實驗性地演示了另一種既不是玻色子也不是費米子的粒子——“任意子”。任意子此前僅在二維繫統中被創造出來。
由於其不尋常的行為，準粒子和任意子有一天都可能在製造更不易出錯的量子計算機中發揮作用。
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粒子屬性
大約在物理學家開始瞭解原子結構的時候，一個世紀前，奧地利出生的理論家沃爾夫岡·泡利提出，沒有兩個電子可以佔據相同的狀態——如果兩個電子被推到接近相同的狀態，它們之間就會產生排斥力。這種“泡利不相容原理”對於電子圍繞原子核排列成殼層，而不是全部落到可能的最低能量狀態至關重要。
泡利和其他人很快意識到，這條經驗性的不相容規則不僅適用於電子，也適用於更廣泛的一類粒子，包括質子和中子，他們稱之為費米子。相反，喜歡共享相同狀態的粒子——例如雷射束中的光子——被稱為玻色子。（泡利和他的合作者還研究出為什麼作為費米子或玻色子似乎與粒子的固有角動量或“自旋”有關。）
在數學上，費米子的基本屬性是，當其中兩個交換位置時，代表它們集體量子態的“波函式”會改變符號，這意味著它乘以-1。對於玻色子，波函式保持不變。早期的量子理論家知道，原則上，可能存在其他型別的粒子，當它們交換位置時，其波函式會以更復雜的方式變化。在 20 世紀 70 年代，研究人員發現了任意子，它只能存在於一維或二維宇宙中。
物理學家王志遠（現就職於德國加興的馬克斯·普朗克量子光學研究所）和凱登·哈扎德（就職於德克薩斯州休斯頓的萊斯大學）現在構建了一個準粒子的模型，該模型可以存在於任何維度中——並且具有不同於費米子或玻色子的屬性。特別是，這些準粒子遵守其自身型別的泡利不相容原理。“這並非完全出乎意料，”英國約克大學的數學物理學家卡西亞·雷茲納說。“但這仍然很酷。”
王說，他在 2021 年攻讀博士學位時偶然想到了奇異的交換規則。“那是我一生中最激動人心的時刻，”他說。王補充說，在量子計算機上實現這些準粒子狀態應該是可能的——儘管具有挑戰性。
一維任意子
準粒子與費米子共享一個屬性：交換兩個粒子然後再交換回來，它們會恢復到原始狀態。即使在恢復到原始位置後，任意子通常也具有不同的量子態，因此它們不被歸類為準粒子。
在《科學》雜誌的研究中，馬薩諸塞州劍橋市哈佛大學的物理學家喬伊斯·關和馬庫斯·格雷納及其同事使用光波將同位素銣-87的原子懸浮在真空中。原子傾向於停在波的波谷處，並且偶爾從一個波谷跳到下一個波谷，距離小於一微米。在這些情況下，銣-87原子通常會表現得像玻色子，因此其中兩個原子不會介意共享同一個波谷。但是，透過週期性地調整光的強度，研究人員能夠改變原子的行為，以便當兩個原子交換位置時，它們的波函式會以規定的角度扭曲——這是任意子的一個決定性屬性。關說，探測波函式需要多次重複實驗，讓原子游蕩，然後凍結它們並對每個原子的位置進行成像。
德國維爾茨堡尤利烏斯-馬克西米利安大學的理論物理學家馬丁·格雷特說：“我非常激動格雷納小組將一維任意子帶入了現實。”
由於任意子的波函式“記住”了其中兩個是如何交換的，因此它們可以提供一種穩健的方式來編碼資訊。谷歌物理學家和其他團隊構建的虛擬二維任意子已經利用了這種記憶屬性。
王說，準粒子不太可能像任意子那樣穩健，但它們也可能在量子計算中發揮作用。他補充說，有趣的是，它們可以存在於三維空間中。原則上，一些未被發現的基本粒子可能是準粒子。
本文經許可轉載，並於2025年1月8日首次發表。