首次目睹准粒子的量子力學干涉！這意味著什麼？

量子位是量子計算中用來編碼信息的單位，並非所有量子位都是一樣的。一些研究人員認為，拓撲量子位元可能是推動量子計算向前發展的最佳媒介。一些研究人員認為拓撲量子比較強，對環境雜訊的影響也更小。量子物理學研究的是基本粒子如何相互作用，有時會聚集在一起形成新的准粒子。

准粒子出現在奇特的理論模型中，但通過實驗觀察和測量它們一直是一個挑戰。隨著一種可以使研究人員探測准粒子干涉的新設備問世，我們可能又向前邁進了一大步，這些發現發表在2019年3月4日的《自然物理》期刊上。邁克爾·曼夫拉(Michael Manfra)表示，我們能夠通過讓這些粒子相互干涉來探測它們

博科園-科學科普：人們嘗試這麼做已經很長時間了，但一直存在重大的技術挑戰。為了研究這麼小的粒子，Manfra團隊使用晶體生長技術，一個原子層一個原子層地構建微小的器件，這種技術被稱為分子束外延。這些器件非常小，以致於它們把電子限制在二維空間內。

就像大理石在桌面上滾動一樣，它們不能上下移動。如果設備或「桌面」足夠乾淨和光滑，那麼主導實驗物理學的不是電子的個別行為，而是它們如何相互作用。為了將單個粒子的能量降到最低，曼夫拉團隊將它們冷卻到極低的溫度——大約零下460華氏度（237.78攝氏度）。

此外，電子受到大磁場的作用，在這三個條件下：極端寒冷的溫度，限制在二維空間，暴露在磁場中，真正奇怪的物理現象開始發生。物理學家稱之為分數量子霍爾體系。在這些奇異的條件下，電子可以自行排列，使基本物體看起來像是攜帶了三分之一的電子電荷，研究人員認為基本粒子要麼是玻色子，要麼是費米子，這取決於粒子的自旋，但准粒子在圍繞彼此演化時，其行為要複雜得多。確定這些狀態的電荷和統計性質是量子物理學中一個長期存在的挑戰。為了使這些粒子相互干涉干擾，曼夫拉研究小組製造了一台干涉儀：

這些發現為拓撲量子位的發展鋪平了道路。圖片：Purdue University/James Nakamura

一種將兩個或多個准粒子源融合在一起以產生干涉圖樣的裝置。如果把兩塊石頭扔進池塘，它們的波在某一點相交，這就是它們產生干涉的地方，圖案就會改變。但是在更小範圍內複製這些效果是極其困難。在這樣一個狹小的空間里，電子往往會相互排斥，所以將另一個電子放入空間需要額外的能量。這往往會擾亂乾死效應，使研究人員無法清楚地看到它們。普渡大學干涉儀克服了這一難題，在距離干涉准粒子僅25納米的地方添加了金屬板。金屬板屏蔽了排斥性相互作用，降低了能源成本，並允許干擾發生。

新設備每一面都有相同的牆壁和金屬門，有點像彈珠機。但不像彈珠，它在周圍混亂地散射，電子在這個設備遵循一個非常嚴格的模式。普渡大學(Purdue)博士生、論文第一作者詹姆斯·中村(James Nakamura)說：量子霍爾效應的神奇之處在於，所有電流都將在樣本的邊緣流動，而不是通過樣本的中間，當準粒子穿過光束分離器時，它們在量子力學意義上被一分為二。這在兩個分光器上發生了兩次，干涉發生在兩個不同的路徑之間。

在這樣一個奇異的物理領域，研究人員很難知道他們認為自己看到的是不是他們實際看到的。但這些結果表明，研究人員已首次目睹准粒子的量子力學干涉。這個機制也可以幫助以後拓撲量子位的發展。這是嘗試做更複雜實驗的唯一可行平台。在更複雜狀態下，這些實驗可能是拓撲量子位的基礎。研究人員已經嘗試了一段時間，最終目標是驗證這些非常奇怪的屬性。還沒有完全做到這一點，但已經證明這是最好的前進方式。

博科園-科學科普｜研究/來自: 普渡大學

參考期刊文獻:《Nature Physics》

DOI: 10.1038/s41567-019-0441-8

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