潘建偉等首次在超冷原子體系中觀測到任意子激發

　　記者從中國科學技術大學獲悉，該校潘建偉教授及其同事苑震生、陳宇翱等人近期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》日前發表了該成果。

　　組成物質世界的基本粒子通常根據其攜帶的自旋分為兩類：自旋為整數的玻色子（如光子）和自旋為半整數的費米子（如電子）。但1977年兩位挪威科學家提出一個令人驚訝的新理論：在二維空間中存在某種粒子，其行為服從介于玻色統計和費米統計之間的新的分數統計。由這類奇異粒子構成的物理系統，其波函數在兩粒子坐標交換的情況下不體現對稱或反對稱性，而是獲得一個任意的相位因子。美國物理學家、諾貝爾物理學獎得主維爾澤克將該類準粒子命名為“任意子”。

　　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。有學者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。理論研究表明，拓撲量子計算可以達到很高的容錯能力，激發了科學家們研制量子計算機的熱情。

　　十多年前，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。

　　據介紹，該研究成果的實現，為進一步研究任意子的拓撲性質提供了新的實驗平臺和手段，將推動拓撲量子計算和晶格規范場量子模擬領域的研究進展。