窺見物理學家大腦中的“精靈”

吳長鋒

中國科學技術大學潘建偉等人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準粒子——任意子，并實現了任意子之間的編織交換過程。

日前，中國科學技術大學潘建偉教授及其同事苑震生、陳宇翱等人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準粒子——任意子，并證實了任意子的分數統計特性，向著實現拓撲量子計算邁出了重要一步。國際權威學術期刊《自然·物理學》發表了該成果。

究竟什么是任意子？為什么它會在自然界中出現？

自然界存在著奇異粒子

1983年，人們在研究當時引人注目的一個宏觀量子現象——分數量子霍耳效應時，逐漸意識到這個效應中可能就存在任意子。

愛因斯坦曾說過：“常識只是人們在18歲以前對自然形成的一種偏見。”這話很詼諧，但寓意深刻。新的物理現象的發現，就會產生一種全新的理論。新理論相對于舊理論而言，一般總是要違背某些所謂的常識，分數統計及服從分數統計的任意子理論的誕生及其發展過程，就是一個典型的例證。

“量子力學中最美妙、最驚人的成就之一，就是給經典力學中毫無意義的全同粒子不可區分性原理賦予了全新的含義，真正不可區分的全同粒子之間具有強烈的相互作用”，中國科技大學陳宇翱教授告訴記者，這種相互作用通常是通過量子統計規則來實現的。一般說來，全同粒子可分為兩類：一類是費米子，具有強烈的排斥作用；另一類是玻色子，都可以凝聚到能量最低態。

“多年來，人們一直認為自然界中只存在費米和玻色兩種量子統計。但有人對此提出了疑義，認為可能存在介于玻色子和費米子之間的新的全同粒子，這種粒子一般被稱為‘任意子，它所遵循的統計規則叫分數統計”，陳宇翱說，最早指出這種新的量子統計可能存在的，是兩位挪威物理學家。在系統地研究了空間拓撲性質和全同粒子不可區分性原理后，意識到在二維空間中可能存在新的量子統計，1982年美國物理學家F·魏爾茨克提出了任意子的概念。

隨后研究表明，任意子可以存在于某些理論模型之中，當時的任意子僅僅是寄生在少數幾個理論物理學家大腦中的精靈，甚至被認為這只是一些數學上的奇異現象，誰都沒有料想到，現實世界中居然還真的會發現這種奇異粒子存在的跡象。1983年，人們在研究當時引人注目的一個宏觀量子現象——分數量子霍耳效應時，逐漸意識到這個效應中可能就存在任意子。

這在物理學界引起了廣泛注意，從而為任意子的理論研究注入了生機。在分數量子霍耳效應理論方面作出了杰出貢獻的美國物理學家R.B.勞克林指出，處在費米和玻色子之間的服從1/2統計的任意子的基態可能是超導的，他的理論簡單新穎，激發了人們對任意子理論進行深入細致的研究，成為理論物理研究中的一個熱點。“當任意子的概念提出時，它似乎違反了量子力學的基本常識，但通過分析量子力學中拓撲性質后，找到了這種粒子在二維空間存在的可能性。”陳宇翱說。

任意子只會在二維空間出現

二維空間的拓撲性質與現實生活中的螺旋結構有些類似。在二維空間中，兩個全同粒子交換位置，總可以分為逆時針和順時針兩個方向的繞動。這就是二維空間中為什么會出現任意子的原因。

既然任意子只會在二維空間出現，而我們生活的世界是三維的，那么現實世界中不就沒有任意子存在了嗎？

為了解答記者提出的問題，陳宇翱教授舉了個日常生活中的例子：“例如女孩子編辮子，將一部分頭發分成三股，依次由外朝里編，每編一次就會形成一個結，連續編兩次，頭發并不會回到原來的狀態，多編幾次就編成了一個辮子。又如，我們繞螺旋樓梯登高塔，每走一圈就上升一層，并不是回到原地，但從塔頂往下看，我們只是繞塔在原地兜圈子。”

“二維空間的拓撲性質多少與這些具有螺旋結構的例子有些類似”，陳宇翱說，在二維空間中，兩個全同粒子交換位置，總可以分為逆時針和順時針兩個方向的繞動。而在三維空間中脫離一個特定的平面后，或者說一個有特定方向的軸線后，就不再有繞動這樣的概念。“所以，在二維空間中兩個粒子朝一個方向連續交換兩次，波函數并不一定要求回到原來的狀態，而完全可以多出一個復相因子，這時波函數的幾率分布并不改變”，“不太嚴格地說，這就是二維空間中為什么會出現任意子的原因”。

近幾十年來，物理學家對具有低維結構的物質進行了大量的研究發現，這些固體中有許多現象和低維空間的許多性質相關，如固體中的層狀結構就具有二維空間的許多性質，這為任意子的存在提供了基礎。當1983年美國物理學家霍爾珀林指出，現實世界中已經發現任意子存在的論據時，連任意子理論創導者之一的F·魏爾茨克都表示驚訝不已，大有“葉公好龍”之嫌。

“雖然現實世界是三維的，但是固體物質的豐富結構為我們尋找新的復合粒子提供了有利場所，脫離這些物質我們是不可能發現新的任意子的。”陳宇翱說。

“窺見”任意子

潘建偉研究團隊創造性地搭建了新的實驗系統并開發了獨特的量子調控技術，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。

任意子的理論被提出后不久，物理學家就在實驗中捕捉到了它的蹤跡。但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。

10多年前，潘建偉研究團隊就開始了對拓撲量子計算的研究并取得了一系列成果。近期，他們創造性地搭建了新的實驗系統并開發了獨特的量子調控技術，研發了自旋依賴的超晶格系統來囚禁和操控超冷原子，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。他們首次觀測到了四體環交換相互作用，并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。

有學者甚至提出一個大膽的設想，利用拓撲材料保護量子比特并操控材料中的任意子進行量子計算。而理論研究表明，拓撲量子計算可以達到很高的容錯能力，進而激發了科學家們研制量子計算機的熱情。

“現在我們已經發現自然界中確實存在任意子，這極大地豐富了量子理論，使我們對物質世界有了更深刻的認識。可以相信，隨著人們對具有層狀結構的物質進行深入的研究，任意子理論會具有更廣泛的應用前景，但其中還有許多基本問題有待去研究、去探索。”陳宇翱說。