任意子的分数统计特性被证实
吴长锋
2017年09月13日 来源：科技日报
记者从中国科学技术大学获悉，该校潘建伟教授及其同事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，证实了任意子的分数统计特性，向着实现拓扑量子计算的方向迈出了重要一步。日前，国际权威学术期刊《自然·物理学》在线发表了这项重要研究成果。
基本粒子通常根据其携带的自旋分为两类，即自旋为整数的玻色子和自旋为半整数的费米子。1977年，挪威学者提出一个令人惊讶的理论：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。科学家将该类准粒子命名为“任意子”。
然而，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。针对这一重大问题，潘建伟研究团队选择了构建人工量子晶体，研发了自旋依赖的超晶格系统来囚禁和操控超冷原子，并在晶格中巧妙地用光极化势形成了有效磁场梯度，成功操控光晶格中约800个超冷原子，首次观测到了四体环交换相互作用，并演示了对此相互作用进行量子调控的能力；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，并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。
该研究成果为人们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。量子信息领域的国际著名学者佐勒评价该工作：“这个系统显现了任意子分数统计特性，是拓扑相存在的明白无误的证据。”
