中國科大首次在超冷原子體系中觀測到任意子激發

人民網9月13日電 （張歌）記者從中國科學技術大學官網獲悉，最近，中科大教授潘建偉及其同事苑震生、陳宇翱等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扑量子物態中的准粒子--任意子，並通過主動控制兩類任意子之間的交換和編織，証實了任意子的分數統計特性，向著實現拓扑量子計算的方向邁出了重要一步。

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，即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）。然而，1977年，挪威科學家Leinaas和Myrheim提出一個令人驚訝的理論：在二維空間中存在某種粒子，其行為服從介於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。因此，美國物理學家、2004年諾貝爾物理學獎得主Wilczek將該類准粒子命名為“任意子”（Anyon）。

任意子的理論被提出后不久，物理學家就在實驗上捕捉到了它的蹤跡。然而，如何直接實驗觀測任意子交換時產生的拓扑相位進而驗証其分數統計特性，一直是一個巨大的實驗挑戰。

潘建偉研究團隊十多年前就開始了拓扑量子計算的實驗研究並取得了一系列研究成果，這包括使用六光子糾纏態模擬了任意子交換的分數統計特性和使用八光子糾纏態構建了拓扑量子糾錯碼。上述實驗中，由於光子之間不存在相互作用，並未形成Kitaev模型中的拓扑物態，因此在物理層面不具備拓扑保護能力。能否實驗制備Kitaev模型所描述的拓扑物態並觀測其中的任意子統計，成為量子信息科學中亟待解決的一個重大問題。

針對這一重大問題，該研究團隊創造性地搭建了新的實驗系統和開發了獨特的量子調控技術。Kitaev模型對應的拓扑物態需要粒子之間的相互作用為四體相互作用，而自然界中存在的物質內部粒子相互作用以兩體相互作用為主，此前人們從未在任何物質中直接觀測到四體相互作用。該團隊選擇了構建人工量子晶體來實現這一特殊的粒子間相互作用，研發了自旋依賴的超晶格系統來囚禁和操控超冷原子，並在晶格中巧妙地用光極化勢形成了有效磁場梯度，抑制了晶格中存在的兩體相互作用，使四體相互作用凸顯並成為主導該物理系統的主要相互作用，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。

據悉，為了觀測晶格中超冷原子的動力學行為，他們開發了高分辨的原位光吸收成像技術，首次觀測到了四體環交換相互作用並演示了對此相互作用進行量子調控的能力﹔進而構建了Kitaev模型的最基本單元哈密頓量，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扑相位，是Kitaev理論模型提出20年后該體系中任意子分數統計特性的最直接的實驗証明。

該研究成果的實現，為人們進一步研究任意子的拓扑性質提供了新的實驗平台和手段，將推動拓扑量子計算和晶格規范場量子模擬領域的研究進展。