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窥见物理学家大脑中的“精灵”:什么是任意子?

        任意子是数学和物理学中的一个概念。它描述一类只在二维系统中出现的粒子。它是对费米子和玻色子概念的广义化。

光晶格中的原子自旋纠缠态,示意图。


        在石墨烯、量子霍尔效应等二维物理系统中任意子这个数学概念变得越来越有用。 在三维以上的空间里,粒子根据其统计特性的不同只能是费米子或者是玻色子。费米子遵从费米-狄拉克统计,玻色子遵从玻色-爱因斯坦统计。在量子力学中这些统计是根据多粒子状态下粒子交换的反应来描写的。


        在任何二维以上的空间里,自旋统计定理规定任何多粒子状态都必须要么遵循费米-狄拉克统计,要么遵循玻色-爱因斯坦统计。这与n > 2的SO(n,1)基本群有关,其值为Z2(有两个元素的循环群)。因此这里只有两个可能性(这里的细节比上述的要复杂,但是最关键的原因是这个)。

任意子编织示意图


        在二维空间里情况发生了变化,这里SO(2,1)的基本群是Z(无限循环)。这意味着自旋(2,1)不是通用覆盖:它们不是单连通。详细地说特殊正交群SO(2,1)的射影表示不仅仅有SO(2,1)或者其二重复盖群旋量群自旋(2,1)的线性表示。而这些额外的表示被称为任意子。


        这个概念对非相对论系统也有效。关键是空间旋量群是有无限基本群的SO(2)。


        这个事实也与纽结理论中著名的辫群有关。在二维中两个粒子的排列群不再是对称群S2,而是辫子群B2了。这样也可以来理解这个问题。


        有一种考虑解决量子计算机中的稳定性问题的方法是使用任意子制成的拓扑量子计算机。这种计算机使用准粒子作为线,使用辫理论来设计稳定的逻辑门。


        最近,中国科学技术大学潘建伟教授及其同事苑震生、陈宇翱等人在国际上首次通过量子调控的方法,在超冷原子体系中发现了拓扑量子物态中的准粒子——任意子,并证实了任意子的分数统计特性,向着实现拓扑量子计算迈出了重要一步。国际权威学术期刊《自然·物理学》发表了该成果。


        潘建伟研究团队创造性地搭建了新的实验系统并开发了独特的量子调控技术,通过微波反转原子自旋的方法,实现了任意子之间的编织交换过程。


        任意子的理论被提出后不久,物理学家就在实验中捕捉到了它的踪迹。但如何直接实验观测任意子交换时产生的拓扑相位,进而验证其分数统计特性,一直是一个巨大的实验挑战。


        10多年前,潘建伟研究团队就开始了对拓扑量子计算的研究并取得了一系列成果。近期,他们创造性地搭建了新的实验系统并开发了独特的量子调控技术,研发了自旋依赖的超晶格系统来囚禁和操控超冷原子,成功操控光晶格中约800个超冷原子同时产生了约200个四原子自旋纠缠态。他们首次观测到了四体环交换相互作用,并通过微波反转原子自旋的方法,实现了任意子之间的编织交换过程,首次在光晶格体系中直接观测到了任意子交换产生的分数拓扑相位。


        “研究成果的实现,的确是一件令人激动的成就。”陈宇翱表示,这将为进一步研究任意子的拓扑性质提供新的实验平台和手段,将推动拓扑量子计算和晶格规范场量子模拟领域的研究进展。


        有学者甚至提出一个大胆的设想,利用拓扑材料保护量子比特并操控材料中的任意子进行量子计算。而理论研究表明,拓扑量子计算可以达到很高的容错能力,进而激发了科学家们研制量子计算机的热情。


        “现在我们已经发现自然界中确实存在任意子,这极大地丰富了量子理论,使我们对物质世界有了更深刻的认识。可以相信,随着人们对具有层状结构的物质进行深入的研究,任意子理论会具有更广泛的应用前景,但其中还有许多基本问题有待去研究、去探索。”陈宇翱说。

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来自:警卫员232  > 科技知识
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