物理学家制造出了难以捉摸的粒子，任意子，它们能记住自己的过去

发布时间：2023-05-19 11:04:16 所属栏目：外闻来源：

导读：四十年前，弗兰克·威尔切克在思考一种奇特的粒子，这种粒子只能在二维宇宙中生存。经过计算，威尔切克发现这些理论上的粒子拥有超凡的记忆，这种记忆深深地融入了宏观现实，任何干扰都无法抹去。

研究人员

四十年前，弗兰克·威尔切克在思考一种奇特的粒子，这种粒子只能在二维宇宙中生存。经过计算，威尔切克发现这些理论上的粒子拥有超凡的记忆，这种记忆深深地融入了宏观现实，任何干扰都无法抹去。

研究人员在过去的三十年左右的时间里花费了数百万美元试图捕获到这种被称为非阿贝尔任意子（non-abelian anyons）的粒子。现在，两个具有里程碑意义的论文终于实现了这一目标。

首先，物理学家最近宣布，他们已经利用最先进的处理器，合成并操控了阿贝尔任意值。

其次，这个实验基于去年秋天谷歌的研究人员提出的一个概念性证明，即信息可以在非阿贝尔任意共享的记忆中储存和操控。

这两篇论文展示了量子设备日益增长的能力，同时提供了对未来量子计算的窥视：通过保持在空间和时间中旅行的几乎不可破坏的记录，非阿贝尔任意子可能是建立量子计算机的最佳方案。

1982年，威尔切克帮助物理学家们拓展了思维，理解了在二维空间中可能存在的各种粒子。他研究了将量子法则限制在一个完全平坦的假想宇宙中的情况，发现这个宇宙中将包含带有分数自旋和电荷（fractional spins and charges）的奇怪粒子。尽管这些粒子在一些方面可能无法区分，但是在二维物理系统中，交换它们的位置可能会改变它们的状态，这在三维物理系统中是无法实现的。威尔切克将这些二维粒子命名为任意子（anyons），因为它们似乎几乎可以做任何事。

威尔切克关注的是最简单的阿贝尔任意子（abelian anyons），这些粒子在交换时会以无法检测的微妙方式发生变化。

他没有探索更奇特的例子——非阿贝尔任意子，即共享记忆的粒子。交换两个非阿贝尔任意值的位置会产生直接可观察的效应。这会改变它们共享的波函数状态，波函数是描述系统量子性质的量。如果你遇到两个相同的非阿贝尔任意子，通过测量它们处于哪种状态，你可以判断它们是否一直处于这些位置，或者它们的路径是否交叉——这是其他任何粒子都无法做到的。

但是在1991年，两位物理学家找到了这些状态。他们预测，当受到足够强的磁场和足够低的温度的影响，电子会以恰当的方式旋转，形成非阿贝尔任意子。这些任意子不是基本粒子（3维世界禁止这样），它们是“准粒子（quasiparticles）”。准粒子是粒子的集合，但最好将它们视为单独的单位。准粒子有精确的位置和行为，就像水分子集合产生波浪和漩涡一样。

在1997年，加利福尼亚理工学院的理论家阿列克谢·基塔耶夫指出，这样的准粒子可以为量子计算机打下完美的基础。但是，量子计算机的构建块——量子比特，很脆弱。他们的波函数在最轻微的扰动下就会坍塌，从而抹去他们的记忆和执行量子计算的能力。这种脆弱性使得量子计算难以实现。

基塔耶夫意识到，非阿贝尔任意子的共享记忆可以作为理想的量子比特。首先，它是可塑的。可以通过称为“编织（braiding）”的方式交换任意量子的位置来改变量子比特的状态——将零翻转为1。

最重要的是，记忆几乎无法被破坏。只要任意粒子保持足够的距离，对任何单个粒子的触碰都不会改变这对粒子所处的状态——无论是0还是1。这样，他们的集体记忆实际上与宇宙的噪声隔离开来。这是隐藏信息的完美地方。

基塔耶夫的提义被称为“拓扑”量子计算（“topological” quantum computing），因为它依赖于编织的拓扑结构。这个术语指的是编织的广泛特征——例如，旋转的次数——这些特征不受他们路径的任何特定变形的影响。大多数研究人员现在都相信，编织是量子计算的未来。例如，微软公司有研究人员正在试图让电子直接形成非阿贝尔任意子。微软已经投入了数百万美元来制造微小的电线，这些电线在足够低的温度下，应该知道了能在其顶部生成具有可拉伸的编织的纤维的最简单结构种类的聚合物微粒子。

预期是，在这些低温下，电子会自然地聚集成任意值，然后可以编织成可靠的量子比特。然而，经过十年的努力，这些研究人员仍在努力证明他们的方法是有效的。将这些电子对称性转变为包含非阿贝尔参数的任意值的方法的努力已经停滞不前。

量子处理器正在改变寻找任一值的方式。近年来，研究人员已经开始使用这些设备来控制单个量子比特，而不是试图让大量的电子一致行动。有些物理学家认为这些努力是模拟，因为处理器内的量子比特是粒子的抽象（虽然它们的物理性质因实验室而异，但你可以将它们视为围绕轴旋转的粒子）。但是量子比特的量子性质是真实的，所以——无论是否模拟——这些计算机处理器已经成为了第一批进行有限元拓扑扩展实验的人工智能最佳处理器的空间。

在量子处理器上合成任意字是利用基塔耶夫的编织理论的另一种方式：接受量子比特不完美，并纠正他们的错误。劣质的量子比特寿命不长，所以由他们构建的任意量子也会有短暂的寿命。梦想是快速且反复地测量量子比特群，并在错误出现时立即纠正，从而延长任意子的寿命。测量会通过塌缩其波函数并将其变成经典比特，从而擦除单个量子比特的量子信息。但重要的信息会保持不可触及——隐藏在许多任意子的集体状态中。通过这种方式，谷歌和其他公司希望通过快速测量和快速纠正（而不是低温）来加固量子位。

谷歌在2021年春天向量子错误纠正迈出了重要一步，当时研究人员将大约24个量子比特组装成最简单的能够进行量子错误纠正的网格，这是一种被称为环面编码（toric code）的物质相（phase of matter）。

在谷歌的处理器上创建环面编码相当于通过轻轻地用微波脉冲推动它们，使每个量子比特与其相邻的量子比特严格合作。在不进行测量的情况下，量子比特指向多个可能的方向的叠加态。谷歌的处理器通过使每个量子比特以特定方式与其四个相邻量子比特协调其自旋轴，有效地减少了这些选项（量子比特可能指向的各种方向）。虽然环面编码具有可用于量子错误纠正的拓扑特性，但它本身不包含非阿贝尔准粒子。为此，谷歌不得不求助于理论家们早已知道的一个奇怪技巧：量子比特网格中的某些缺陷被称为“扭曲缺陷”，它们可以获得非阿贝尔准粒子。

去年秋天，康奈尔大学的理论家金恩阿和尤里·连斯基（Yuri Lensky）以及谷歌的研究人员发布了一种在环面编码中轻松制作和编织缺陷对的方案。

在此之后发布的预印本中，谷歌的实验人员报告了实施这个方案想法，包括切断相邻量子比特之间的连接。量子比特网格中的缺陷就像最简单的非阿贝尔准粒子，微软的 Majorana 零模式。

两种类型的任意子都在具有拓扑特性的物质相中，这种拓扑性质由错综复杂的量子纠缠定义。处于纠缠状态的粒子表现出协同的行为，当万亿粒子处于纠缠状态时，它们可以在复杂的相位中波动。在具有拓扑顺序的相位中，纠缠使粒子组织成对齐的自旋环。当一个环被切割时，每个端点就是一个任意子。

拓扑顺序有两种类型。像环面编码这样的简单相具有“阿贝尔顺序”，松散的末端是阿贝尔任意子。但寻找真正的非阿贝尔任意子的研究者将自己的靶点设置在一个完全不同的,更为复杂的织物中,这个织物具有非阿贝秩序。

（编辑：汽车网）

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