物理學家報告了可能是有力的證據，證明了被稱為任意子的不尋常的類粒子物體的存在，這些物體在40多年前首次被提出。任意子是被稱為準粒子現象的不斷增長的家族的最新成員，它們不是基本粒子，而是固體器件中許多電子的集體激發。他們的發現——使用二維電子裝置進行的——可能代表著使任意子成為未來量子計算機基礎的第一步。
“這看起來確實是一件非常重要的事情，”英國牛津大學的理論物理學家史蒂文·西蒙說。這些結果尚未經過同行評審，上週已釋出在arXiv預印本儲存庫中。
已知的準粒子表現出一系列奇特的行為。例如，磁單極準粒子只有一個磁極——與所有普通磁鐵（總是有一個北極和一個南極）不同。另一個例子是馬約拉納準粒子，它們是自身的反粒子。
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任意子更加奇怪。所有基本粒子都屬於兩種可能的類別之一——費米子和玻色子。任意子都不是。費米子（包括電子）的決定性特性是費米統計：當兩個相同的費米子交換空間位置時，它們的量子力學波——波函式——會旋轉180º。當玻色子交換位置時，它們的波不會改變。交換兩個任意子應該產生一箇中間角度的旋轉，這種效應稱為分數統計，它不會發生在3D空間中，而只能作為電子的集體狀態被限制在二維空間中移動。
分數統計
分數統計是任意子的決定性屬性，而這項由印第安納州西拉斐特的普渡大學的實驗物理學家邁克爾·曼弗拉領導的最新工作是首次如此確鑿地測量到它。
當準粒子交換位置時，其不尋常的行為意味著，如果一個準粒子圍繞另一個準粒子完整地移動一圈——相當於兩個粒子交換位置兩次——它將在其量子狀態中保留該運動的記憶。這種記憶是實驗人員一直在尋找的分數統計的跡象之一。
曼弗拉和他的團隊製造了一種由砷化鎵和砷化鋁鎵薄層構成的結構。這限制了電子在二維空間中移動，同時保護它們免受裝置其餘部分雜散電荷的干擾。然後，研究人員將其冷卻到絕對零度以上萬分之幾度，並添加了強磁場。這在裝置中產生了一種稱為“分數量子霍爾”（FQH）絕緣體的物質狀態，它的特殊之處在於，沒有電流可以在二維裝置的內部流動，但可以在邊緣流動。 FQH絕緣體可以容納其電荷不是電子電荷的倍數，而是其三分之一的準粒子：長期以來，人們一直懷疑這些準粒子是任意子。
為了證明它們確實是任意子，該團隊蝕刻了該裝置，使其可以透過兩條可能的邊緣路徑將電流從一個電極傳輸到另一個電極。他們透過改變磁場並新增電場來調整條件。這些調整有望在內部建立或破壞任意子狀態，併產生在電極之間執行的任意子。由於移動的任意子有兩條可能的路徑，每條路徑在其量子力學波中產生不同的扭曲，因此當任意子到達終點時，它們的量子力學波會產生稱為睡衣條紋的干涉圖案。
該圖案顯示了兩個路徑之間的相對旋轉量如何響應電壓和磁場強度的變化而變化。但是，干擾也顯示出跳躍，這有力地證明了材料主體中任意子的出現或消失。
“據我所知，這是對任意子的非常可靠的觀測——直接觀察它們的決定性特性：當一個任意子繞另一個任意子行進時，它們會累積一個分數相位，”西蒙說。
這不是研究人員第一次報告分數統計的證據。新澤西州莫雷希爾諾基亞貝爾實驗室的物理學家羅伯特·威利特說，他的團隊在2013年看到了分數統計的“有力證據”。
其他團隊也探測了使任意子介於費米子和玻色子之間的不同屬性。費米子服從泡利不相容原理：沒有兩個費米子可以佔據完全相同的量子態。但是玻色子沒有這種限制。任意子介於兩者之間——它們會聚集，但不如玻色子那樣聚集，正如4月份在《科學》雜誌上描述的實驗報告的那樣。“這與我們在同一設定中也可以探測到的費米子行為截然不同，”領導該專案的巴黎索邦大學的實驗家格溫達爾·費夫說。
量子計算
但是一些理論物理學家說，這些和其他實驗中的證據雖然引人注目，但並不確鑿。“在許多情況下，有幾種方法可以解釋實驗，”德國萊比錫大學的凝聚態理論家伯恩德·羅森諾說。但是羅森諾說，如果得到證實，曼弗拉團隊報告的證據是明確的。“我不知道對此實驗有哪種合理解釋不涉及分數統計。”
這些結果可能會為任意子的應用奠定基礎。西蒙和其他人已經開發了精密的理論，利用任意子作為量子計算機的平臺。準粒子對可以利用它們如何相互環繞的記憶來編碼資訊。並且由於分數統計是“拓撲”的——它取決於一個任意子繞另一個任意子轉動的次數，而不是其路徑的細微變化——它不受微小擾動的影響。這種魯棒性可以使拓撲量子計算機比目前容易出錯的量子計算技術更容易擴充套件。微軟（聘請曼弗拉擔任顧問）一直獨自追求量子計算的拓撲路徑，而包括IBM、英特爾、谷歌和霍尼韋爾在內的其他大公司則投資於其他方法。
拓撲量子計算將需要比曼弗拉及其同事演示的更復雜的任意子；他的團隊現在正在重新設計其裝置以實現這一目標。儘管如此，研究人員警告說，任意子應用還有一段路要走。“即使有了這個新結果，也很難將[分數量子霍爾]任意子視為量子計算的有力競爭者，”西蒙說。
但是準粒子獨特的物理學值得探索：“對我來說，作為一名凝聚態理論家，它們至少與希格斯粒子一樣引人入勝和奇特，”羅森諾說。
本文經許可轉載，並於2020年7月3日首次發表。