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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