兩項新的研究記錄了具有單個電子四分之一電荷的“準粒子”的存在——考慮到電子實際上不能分裂成更小的粒子，這很奇怪。這一演示不僅僅是一個好奇點，它可能掌握著強大形式的量子計算的關鍵，在這種計算中，準粒子的量子態可以編織在一起。
分數電荷並非新鮮事物。研究人員在20多年前就學會了如何製造它們：首先將電子限制在半導體的薄層中，將其冷卻到接近絕對零度（-459.67華氏度，或-273.15攝氏度），並施加磁場。然後，他們引入電壓以啟動在半導體樣品邊緣周圍流動的電流，該電流遇到了來自材料的電阻。
奇怪的是，電阻的增長幅度太小，無法用單個電子的運動來解釋。研究人員認為，所謂的分數量子霍爾效應之所以會發生，是因為電子與磁場的部分融合在一起，形成像單個電子一樣流動的集合體。這些發現獲得了1998年諾貝爾物理學獎。
關於支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保未來能夠看到關於塑造當今世界的發現和想法的具有影響力的報道。
分數量子霍爾效應似乎註定要停留在抽象的研究領域，直到2003年，研究人員發現某些準粒子可以導致高度穩定的拓撲量子計算機。任何形式的量子計算都透過將粒子轉化為量子位元來獲得其能力，量子位元同時表示0和1。在傳統方法中，研究人員使用導線或雷射連線量子位元，這會使量子位元暴露在外部振動中，從而降低其量子特性。相比之下，某些準粒子可以透過交換位置來連線，就像洗牌一樣。準粒子會“記住”它們走過的路徑，無論它們如何交織，（理論上）這會使它們更能抵抗噪聲。
以色列雷霍沃的魏茨曼科學研究所的實驗物理學家莫蒂·海布魯姆說：“這些想法很美好，它們推動了非常美好的科學。”過去的準粒子例子都具有奇數分數電荷，例如三分之一。對於量子計算，成對的準粒子必須結合起來併產生四分之一電荷。受到理論工作的啟發，海布魯姆的研究小組和來自哈佛大學和麻省理工學院（MIT）的一個團隊分別在砷化鎵層之間夾著的砷化鋁鎵層中像往常一樣進行了分數電荷實驗。但是他們將中間層調整為每兩條磁力線包含五個電子——這是預測會產生四分之一電子電荷的狀態。
魏茨曼的科學家測量了平面上一個收縮處的電流的隨機波動，該收縮處一次只允許一個帶電粒子透過。該“散粒噪聲”類似於無線電訊號中的靜電，與攜帶四分之一電子電荷的準粒子一致，該小組在《自然》雜誌上報道。第二個團隊透過直接測量電流獲得了類似的結果，並在《科學》雜誌上發表。
並非所有四分之一電荷粒子都適用於拓撲量子計算。用物理學的語言來說，它們還必須遵守一種稱為非阿貝爾（非交換）統計的規則，這取決於成對準粒子之間相互作用的強度。哈佛-麻省理工學院實驗者使用的方法使他們能夠測量這種強度。雖然不具有決定性，但哈佛大學物理學家查爾斯·馬庫斯說，“受青睞的模型確實具有非阿貝爾統計。”
馬里蘭大學帕克分校的理論物理學家桑卡·達斯·薩爾瑪說，對新準粒子的觀察“相當簡潔且具有潛在的開創性”。他說，非阿貝爾統計的最終測試將在研究人員學會將成對的準粒子並排隔離並交換位置時進行。魏茨曼和哈佛-麻省理工學院的研究小組正在為此努力，但這可能需要幾年時間。海布魯姆預測，在他所做的所有實驗中，“這將是最困難的實驗之一。”