以下文章来源于原理 ，作者二宗主

粒子王国的第三类粒子

从以光速传播的光子，到幽灵般的中微子，再到构建万物的夸克和电子，在我们生活的三维世界中，所有的基本粒子都可以被划分为两类：费米子和玻色子。

费米子就好似是“社交恐惧症”重症患者——两个费米子永远不会占据相同的量子态。而玻色子则是粒子世界中的“群居粒子”，它们热衷于聚集在一起，共享相同的量子态。

40年前，理论物理学家预测，在二维世界中其实还存在着粒子王国的第三类粒子——任意子（anyon）。根据预测，任意子介于费米子和玻色子之间，它们既不会完全避开对方，也不会完全聚集起来。更神奇的事，不同于我们所知的任何其他粒子，任意子可以保有记载着自己曾经“去过哪里”的记录。

我们知道，当两个相同的费米子交换位置时，它们的量子态（波函数）会翻转180度；当两个相同的玻色子交换位置时，它们的量子态则不变。但这两种情况对任意子都不适用：当两个相同的任意子在交换位置时，它们会从根本上发生改变，交换的次数也会影响它们振动的方式。

具体来说，对于标准的阿贝尔任意子，其量子态会以一定的角度位移。而对于非阿贝尔任意子，其量子态则会以一种更复杂的方式变化，它们可以记住交换的顺序，就像一根编织的辫子能保留它所含有的交叉顺序一样，只是不同之处在于，辫子的交叉是物理上的接触，而任意子是通过奇怪的量子纠缠相互作用的。

正是因为这种固有的记忆以及它们所含的量子性质，非阿贝尔任意子被认为可以用来执行量子计算。然而，一直以来，科学家从未在实验中被发现过非阿贝尔任意子。现在，在一篇新的预印论文中，量子计算公司Quantinuum的Henrik Dreyer和其他合作者表示，他们已经做到了。

寻找任意子：创造纠缠晶格

在实验中，研究人员开发了一种名为H2的新型量子处理器。这是Quantinuum公司最先进的量子机器，它有一个可以捕获镱离子和钡离子的芯片，每个离子可以编码一个量子比特。量子比特可以像普通比特一样是“0”或“1”，也可以同时是这两种状态的叠加。

Quantinuum所采用的方法有一个优势，与大多数其他类型的量子比特相比，它所捕获的离子可以四处移动并相互作用。利用这种灵活性，研究人员创造出了一种异常复杂的量子纠缠形式，其中所有32个离子都共享相同的量子态。通过让这些离子以特定的形式相互作用，他们创造出了一个纠缠晶格。

这种纠缠晶格有着由将Kagome（日语：笼目）折叠而成的甜甜圈形状的结构。Kagome是编织篮子时经常使用的一种图案，它是由正六边形和正三角形组成的一种平面铺砌，每一个顶点周围都有2个正六边形和2个正三角形。

研究人员创造了一个有着kagome结构的纠缠晶格。（图/qbal, M. et al. Preprint）

这种纠缠态代表了虚拟的二维宇宙中的最低能态，对应于不包含任何粒子的能态。但是通过进一步的操作，Kagome可以被置于激发态，对应于具有非阿贝尔任意子性质的粒子的出现。

为了证明这种激发态的量子力学性质与预测的任意子相同，研究人员进行了一系列测试。其中最令人信服的一个测试是，通过移动激发态来创造博罗梅安环（Borromean rings）。

博罗梅安环，虽然两个图形看起来不同，但右图可以通过拉伸变得与左图一样。（图/everipedia）

博罗梅安环指的是三个环互相穿插在一起，但任意两个环之间没有任何扣锁现象的结构。这种结构不仅具有巨大的数学之美，还是非阿贝尔任意子出现的一个不容置疑的特征。

研究人员表示，通过在操作中和操作后对离子的状态进行测量，他们确认了这种模式的出现：所有粒子都连在一起，但同时又没有任何两个粒子彼此环绕。

只是模拟？

与大多数其他量子计算方式相比，非阿贝尔任意子的优势很明显。通常，单个量子比特中的信息往往会迅速衰退，从而导致错误的产生，进而限制量子计算的发展。而非阿贝尔任意子的特殊的连接特性，可以帮助量子计算机减少出错的可能性。

研究人员认为，他们完成了首个能清晰表明这些粒子就是非阿贝尔任意子的测试。然而，对于这一点，许多其他研究人员不同意。有物理学家认为，这仍然只是模拟而已，因为它可能缺乏实物所具有的某些特性。

但论文的作者表示，任意子是一种准粒子，这意味着模拟的意义等同于真实的事物。因此如果一个系统可以产生任意子的纠缠，那么就可以说创造出了相同类型的任意子。

#参考来源：

https://www.nature.com/articles/d41586-023-01574-0

https://www.newscientist.com/article/2372659-weird-particle-that-remembers-its-past-discovered-by-quantum-computer/#:~:text=A%20mysterious%20and%20long%20sought-after%20particle%20that%20can,kind%20of%20record%20of%20where%20it%20has%20been.

https://www.quantinuum.com/news/for-the-first-time-ever-quantinuums-new-h2-quantum-computer-has-created-non-abelian-topological-quantum-matter-and-braided-its-anyons

本文转载自微信公众号「原理」（ID：principia1687）

转自：“蔻享学术”微信公众号

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