物理学家报告了可能是有力的证据，证明了被称为任意子的不寻常的类粒子物体的存在，这些物体在40多年前首次被提出。任意子是被称为准粒子现象的不断增长的家族的最新成员，它们不是基本粒子，而是固体器件中许多电子的集体激发。他们的发现——使用二维电子设备进行的——可能代表着使任意子成为未来量子计算机基础的第一步。
“这看起来确实是一件非常重要的事情，”英国牛津大学的理论物理学家史蒂文·西蒙说。这些结果尚未经过同行评审，上周已发布在arXiv预印本存储库中。
已知的准粒子表现出一系列奇特的行为。例如，磁单极准粒子只有一个磁极——与所有普通磁铁（总是有一个北极和一个南极）不同。另一个例子是马约拉纳准粒子，它们是自身的反粒子。
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任意子更加奇怪。所有基本粒子都属于两种可能的类别之一——费米子和玻色子。任意子都不是。费米子（包括电子）的决定性特性是费米统计：当两个相同的费米子交换空间位置时，它们的量子力学波——波函数——会旋转180º。当玻色子交换位置时，它们的波不会改变。交换两个任意子应该产生一个中间角度的旋转，这种效应称为分数统计，它不会发生在3D空间中，而只能作为电子的集体状态被限制在二维空间中移动。
分数统计
分数统计是任意子的决定性属性，而这项由印第安纳州西拉斐特的普渡大学的实验物理学家迈克尔·曼弗拉领导的最新工作是首次如此确凿地测量到它。
当准粒子交换位置时，其不寻常的行为意味着，如果一个准粒子围绕另一个准粒子完整地移动一圈——相当于两个粒子交换位置两次——它将在其量子状态中保留该运动的记忆。这种记忆是实验人员一直在寻找的分数统计的迹象之一。
曼弗拉和他的团队制造了一种由砷化镓和砷化铝镓薄层构成的结构。这限制了电子在二维空间中移动，同时保护它们免受设备其余部分杂散电荷的干扰。然后，研究人员将其冷却到绝对零度以上万分之几度，并添加了强磁场。这在设备中产生了一种称为“分数量子霍尔”（FQH）绝缘体的物质状态，它的特殊之处在于，没有电流可以在二维设备的内部流动，但可以在边缘流动。 FQH绝缘体可以容纳其电荷不是电子电荷的倍数，而是其三分之一的准粒子：长期以来，人们一直怀疑这些准粒子是任意子。
为了证明它们确实是任意子，该团队蚀刻了该设备，使其可以通过两条可能的边缘路径将电流从一个电极传输到另一个电极。他们通过改变磁场并添加电场来调整条件。这些调整有望在内部创建或破坏任意子状态，并产生在电极之间运行的任意子。由于移动的任意子有两条可能的路径，每条路径在其量子力学波中产生不同的扭曲，因此当任意子到达终点时，它们的量子力学波会产生称为睡衣条纹的干涉图案。
该图案显示了两个路径之间的相对旋转量如何响应电压和磁场强度的变化而变化。但是，干扰也显示出跳跃，这有力地证明了材料主体中任意子的出现或消失。
“据我所知，这是对任意子的非常可靠的观测——直接观察它们的决定性特性：当一个任意子绕另一个任意子行进时，它们会累积一个分数相位，”西蒙说。
这不是研究人员第一次报告分数统计的证据。新泽西州莫雷希尔诺基亚贝尔实验室的物理学家罗伯特·威利特说，他的团队在2013年看到了分数统计的“有力证据”。
其他团队也探测了使任意子介于费米子和玻色子之间的不同属性。费米子服从泡利不相容原理：没有两个费米子可以占据完全相同的量子态。但是玻色子没有这种限制。任意子介于两者之间——它们会聚集，但不如玻色子那样聚集，正如4月份在《科学》杂志上描述的实验报告的那样。“这与我们在同一设置中也可以探测到的费米子行为截然不同，”领导该项目的巴黎索邦大学的实验家格温达尔·费夫说。
量子计算
但是一些理论物理学家说，这些和其他实验中的证据虽然引人注目，但并不确凿。“在许多情况下，有几种方法可以解释实验，”德国莱比锡大学的凝聚态理论家伯恩德·罗森诺说。但是罗森诺说，如果得到证实，曼弗拉团队报告的证据是明确的。“我不知道对此实验有哪种合理解释不涉及分数统计。”
这些结果可能会为任意子的应用奠定基础。西蒙和其他人已经开发了精密的理论，利用任意子作为量子计算机的平台。准粒子对可以利用它们如何相互环绕的记忆来编码信息。并且由于分数统计是“拓扑”的——它取决于一个任意子绕另一个任意子转动的次数，而不是其路径的细微变化——它不受微小扰动的影响。这种鲁棒性可以使拓扑量子计算机比目前容易出错的量子计算技术更容易扩展。微软（聘请曼弗拉担任顾问）一直独自追求量子计算的拓扑路径，而包括IBM、英特尔、谷歌和霍尼韦尔在内的其他大公司则投资于其他方法。
拓扑量子计算将需要比曼弗拉及其同事演示的更复杂的任意子；他的团队现在正在重新设计其设备以实现这一目标。尽管如此，研究人员警告说，任意子应用还有一段路要走。“即使有了这个新结果，也很难将[分数量子霍尔]任意子视为量子计算的有力竞争者，”西蒙说。
但是准粒子独特的物理学值得探索：“对我来说，作为一名凝聚态理论家，它们至少与希格斯粒子一样引人入胜和奇特，”罗森诺说。
本文经许可转载，并于2020年7月3日首次发表。