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中国学者首次在超冷原子体系中观测到任意子激发

  我国学者拓扑量子计算研究获重要进展:首次在超冷原子体系中观测到任意子激发

  新华社合肥9月12日电(记者 徐海涛)记者从中国科学技术大学获悉,该校潘建伟教授及其同事苑震生、陈宇翱等人近期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》日前发表了该成果。

  组成物质世界的基本粒子通常根据其携带的自旋分为两类:自旋为整数的玻色子(如光子)和自旋为半整数的费米子(如电子)。但1977年两位挪威科学家提出一个令人惊讶的新理论:在二维空间中存在某种粒子,其行为服从介于玻色统计和费米统计之间的新的分数统计。由这类奇异粒子构成的物理系统,其波函数在两粒子坐标交换的情况下不体现对称或反对称性,而是获得一个任意的相位因子。美国物理学家、诺贝尔物理学奖得主维尔泽克将该类准粒子命名为“任意子”。

  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。有学者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。理论研究表明,拓扑量子计算可以达到很高的容错能力,激发了科学家们研制量子计算机的热情。

  十多年前,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。

  据介绍,该研究成果的实现,为进一步研究任意子的拓扑性质提供了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。

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