科研人員首次在超冷原子體系中觀測到任意子激發

最近，中國科學院院士、中國科學技術大學教授潘建偉及其同事苑震生、陳宇翱等在國際上首次通過量子調控的方法，在超冷原子體系中發現了拓撲量子物態中的准粒子——任意子，並通過主動控制兩類任意子之間的交換和編織，證實了任意子的分數統計特性，向著實現拓撲量子計算的方向邁出了重要一步。近日，國際權威學術期刊《自然-物理學》以研究長文的形式在線發表了這項重要研究成果。

組成物質世界的基本粒子通常根據其攜帶的自旋分為兩類，即自旋為整數的玻色子（如光子）和自旋為半整數的費米子（如電子）。然而，1977年，挪威科學家 Leinaas 和 Myrheim 提出一個令人驚訝的理論：在二維空間中存在某種粒子，其行為服從介於玻色統計和費米統計之間的新的分數統計。由這類奇異粒子構成的物理系統，其波函數在兩粒子坐標交換的情況下不體現對稱或反對稱性，而是獲得一個任意的相位因子。因此，美國物理學家、2004年諾貝爾物理學獎得主 Wilczek 將該類准粒子命名為任意子（Anyon）。

任意子的理論被提出後不久，物理學家就在實驗上捕捉到了它的蹤跡。1982年，美國華裔科學家崔琦等在二維電子氣中發現分數量子霍爾效應，也藉此獲得1998年的諾貝爾物理學獎；之後，國際上一些研究小組又通過一系列實驗觀測到任意子具有分數電荷的特徵，並發現這些分數的大小與材料的拓撲性質有關：材料的拓撲性質不同，產生的分數拓撲相位也跟著變化。然而，如何直接實驗觀測任意子交換時產生的拓撲相位進而驗證其分數統計特性，一直是一個巨大的實驗挑戰。

1997年，正在人們著迷於研究任意子的基本物理性質的時候，時任朗道理論物理所研究員、2016年基礎科學突破獎得主 Kitaev 提出另一個大膽的想法：能否利用拓撲材料作為量子比特從物理層面抑制退相干從而保護量子比特，並操控材料中的任意子進行量子計算？他隨即發展了一套基於任意子編織的拓撲量子計算理論，很快引起了量子物理學家的關注。之後的理論研究表明，拓撲量子計算的容錯能力比之前最好的基於糾錯碼的量子計算提升了約3個數量級，達到了約1%，該容錯率是目前實驗技術能夠達到的水平，這極大地激發了科學家們研製量子計算機的熱情。

潘建偉研究團隊十多年前就開始了拓撲量子計算的實驗研究並取得了一系列研究成果，這包括使用六光子糾纏態模擬了任意子交換的分數統計特性[Phys. Rev. Lett.102, 030502 (2009)]和使用八光子糾纏態構建了拓撲量子糾錯碼[Nature482, 489 (2012)]。上述實驗中，由於光子之間不存在相互作用，並未形成 Kitaev 模型中的拓撲物態，因此在物理層面不具備拓撲保護能力。能否實驗製備Kitaev模型所描述的拓撲物態並觀測其中的任意子統計，成為量子信息科學中亟待解決的一個重大問題。

針對這一重大問題，該研究團隊創造性地搭建了新的實驗系統，並開發了獨特的量子調控技術。Kitaev 模型對應的拓撲物態需要粒子之間的相互作用為四體相互作用，而自然界中存在的物質內部粒子相互作用以兩體相互作用為主，此前人們從未在任何物質中直接觀測到四體相互作用。該團隊選擇構建人工量子晶體來實現這一特殊的粒子間相互作用，研發了自旋依賴的超晶格系統來囚禁和操控超冷原子，並在晶格中巧妙地用光極化勢形成了有效磁場梯度，抑制了晶格中存在的兩體相互作用，使四體相互作用凸顯並成為主導該物理系統的主要相互作用，成功操控光晶格中約800個超冷原子同時產生了約200個四原子自旋糾纏態；為了觀測晶格中超冷原子的動力學行為，他們開發了高分辨的原位光吸收成像技術，首次觀測到四體環交換相互作用並演示了對此相互作用進行量子調控的能力；研究人員進而構建了 Kitaev 模型的最基本單元哈密頓量，通過微波反轉原子自旋的方法，實現了任意子之間的編織交換過程，首次在光晶格體系中直接觀測到了任意子交換產生的分數拓撲相位，成為 Kitaev 理論模型提出20年後該體系中任意子分數統計特性的最直接的實驗證明。

該研究成果的實現，為人們進一步研究任意子的拓撲性質提供了新的實驗平台和手段，將推動拓撲量子計算和晶格規範場量子模擬領域的研究進展。該工作的預印本在 arXiv 網站一經公布，即獲得了學術界同行的廣泛興趣和高度評價，如量子信息領域的國際著名學者、2013年沃爾夫物理學獎獲得者 Zoller 等在《自然-物理學》發表的綜述文章對該工作的評價為：「使用冷原子實現了一個最小的 Kitaev toric-code 哈密頓量；這個系統顯現了任意子分數統計特性，是拓撲相存在的明白無誤的證據。」

該工作得到科技部、國家自然科學基金委、教育部、中科院等的資助。

光晶格中的原子自旋糾纏態示意圖

任意子編織示意圖

來源：中國科學技術大學

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