Quantinuum H2 量子处理器的腔室内。图片来源：Quantinuum

我们的物理 3D 世界仅由两种类型的粒子组成：玻色子，包括光和著名的希格斯玻色子;和费米子——构成所有“物质”的质子、中子和电子，包括现在的公司。

不过，像哈佛大学乔治·瓦斯默·莱维特物理学教授阿什文·维什瓦纳特（Ashvin Vishwanath）这样的理论物理学家并不喜欢将自己局限于我们的世界。例如，在2D环境中，各种新的粒子和物质状态都将成为可能。

Vishwanath 的团队使用一种称为量子处理器的强大机器首次制造了一种称为非阿贝尔拓扑顺序的全新物质相。以前只在理论上得到认可，该团队展示了称为非阿贝尔任意子的奇异粒子的合成和控制，这些粒子既不是玻色子也不是费米子，而是介于两者之间。

他们的研究结果发表在《自然》杂志上，与量子计算公司Quantinuum的研究人员合作。Vishwanath 的团队包括前哈佛大学 Kenneth C. Griffin 艺术与科学研究生院学生 Nat Tantivasadakarn '22，现在在加州理工学院，以及博士后研究员 Ruben Verresen。

非阿贝尔任意子，被物理学家称为准粒子，只有在二维平面上才有数学上的可能性。限定词“准”是指它们不完全是粒子，而是通过特定物质阶段的长寿命激发——想想海浪——并且它们具有特殊的记忆携带能力。

除了创造物质的新相是令人兴奋的基础物理学之外，非阿贝尔任意子已被广泛认为是量子计算的潜在平台，这为研究成果注入了更大的意义。

非阿贝尔任意子本质上是稳定的，这与其他量子计算平台上脆弱且容易出错的量子比特或量子比特不同。当他们互相走动时，他们可以“记住”他们的过去——就像魔术师用隐藏的球洗牌杯子一样。这种特性也使它们具有拓扑性，或者能够在不失去其核心身份的情况下弯曲和扭曲。

由于所有这些原因，非阿贝尔任意子有朝一日可能会成为理想的量子比特——计算能力的单位远远超出了当今的经典计算机——如果它们可以在更大的范围内创建和控制的话。

“稳定量子计算的一条非常有前途的途径是使用这些奇异的物质状态作为有效的量子比特，并用它们进行量子计算，”Tantivasadakarn说。“那么你已经在很大程度上缓解了噪音问题。

研究人员运用了一些顽强的创造力来实现他们的奇异物质状态。为了最大限度地发挥Quantinuum最新的H2处理器的功能，该团队从27个捕获离子的晶格开始。他们使用部分的、有针对性的测量来依次增加量子系统的复杂性，有效地最终得到一个工程化的量子波函数，具有他们所追求的粒子的确切性质和特征。

“测量是量子力学中最神秘的方面，导致了著名的悖论，如薛定谔的猫和无数的哲学辩论，”Vishwanath说。“在这里，我们使用测量作为工具来塑造感兴趣的量子态。

作为一名理论家，Vishwanath 珍惜在物理学的不同想法和应用之间跳跃的能力，而不受一个平台或技术的束缚。但在这项工作的背景下，他惊叹于不仅能够探索一个理论，而且能够实际证明它，尤其是在量子力学领域进入第100个年头的时候。

“至少对我来说，这一切都奏效了，我们可以做一些非常具体的事情，这真是太神奇了，”维什瓦纳特说。“多年来，它确实将物理学的许多不同方面联系起来，从基础量子力学到这些新型粒子的最新想法。

更多信息：Mohsin Iqbal 等人，非阿贝尔拓扑顺序和捕获离子处理器上的任意子，Nature （2024）。DOI： 10.1038/s41586-023-06934-4

期刊信息：Nature