《自然》杂志:任意子预示着构建量子计算机的

 公司新闻     |      2020-07-23 10:50

今天的《自然》杂志发表的一篇文章指出,一种非同寻常的“准粒子”——任意子,预示着构建量子计算机的潜在方法。

任意子(英語:anyon)是指一类只在二维结构系统中出现的准粒子。准粒子不是基本粒子而是固体设备中许多电子的集体激发,它们的发现是使用2D电子设备完成的,这可能代表了将任意子成为未来量子计算机基础的第一步。

在最近发表的一篇论文中,英国牛津大学的理论物理学家、史蒂芬·西蒙(Steven Simon)说:“这看起来确实很重要。”

已知的准粒子表现出一系列奇特的行为。例如,磁性单极子准粒子只有一个磁极,与所有通常具有南北向的普通磁体不同;又比如马略亚纳(Majorana)准粒子,是它们自己的反粒子。

任意子更加独特。所有基本粒子都属于两种可能的类型之一:费米子或玻色子。任意子却都不是。费米子,包括电子,的定义属性是费米统计:当两个相同的费米子切换空间位置时,它们的量子力学波动函数旋转180度。当玻色子交换位置时,它们的波动不会改变。切换两个任意子会产生一个中间角度的旋转,这种效应称为分数统计(fractional statistics ),这种效应不能在三维空间中发生,而只能在电子的集体状态被限制在二维结构中移动时发生。

分数统计是任意子的定义属性,普渡大学实验物理学家、迈克尔·曼弗拉(Michael Manfra)最近首次对此进行了测量。

这种准粒子在切换位置时的异常行为意味着,如果一个粒子围绕另一个粒子作一个完整的圆周运动,即相当于两个粒子切换位置两次,它将在其量子状态下保留该运动的记忆。记忆是实验学家一直在寻找的分数统计的典型标志之一。

曼弗拉和他的团队制造了砷化镓和砷化铝镓薄层的结构,以限制电子在二维方向上移动,同时将它们与器件其余部分中的杂散电荷屏蔽开了。然后,将其冷却至比绝对零高出千分之一的温度,并施加强磁场,产生了一种称为“分数量子霍尔”(Fractional Quantum Hall,简称:FQH)绝缘子的状态。该绝缘子的独特之处在于,内部电流不能流过二维设备,但可以沿边缘运行。 FQH绝缘子可以容纳带电荷的准粒子,该电荷不是电子电荷的倍数,而是电荷的三分之一:长期以来,这些准粒子一直被怀疑是正电子。

为了证明它们确实存在,该团队蚀刻该设备,以便它可以将电流从一个电极沿着两个可能的边缘路径传输到另一个电极。通过改变磁场并增加电场来调整条件。这些调整有望产生或破坏停留在内部的任意子状态,并产生在电极之间运行的任意子。因为移动任意子有两条可能的路径,每条路径都会在其量子力学波中产生不同的扭曲,所以当任意子到达终点时,它们的量子力学波会产生一种称为如图所示的“睡衣条纹”的干涉图案。

这种模式显示了两条路径之间的相对旋转量如何随电压和磁场强度的变化而变化。但是干扰也显示出跳跃,这是导致大部分材料中任何正反面的出现或消失的重大线索。

西蒙说:“据我所知,这是对任意子的极其坚实的观察,直接观察到了它们的定义特性:当一个任意子围着另一个任意子行进时,它们会累积分数阶。”

贝尔实验室的物理学家、罗伯特·威利特(Robert Willett)及其团队在2013年也发现了分数统计的“有力证据”。 其他团队则研究了一种不同的特性,该特性使任意子成为费米子和玻色子之间的中间点。费米子遵守保利排斥原理:没有两个费米子可以占据相同的精确量子态。但是玻色子没有这种限制。任意子做成一堆,处于这两者之间。

这些研究可能为任意子的应用奠定了基础。西蒙及其他人已在发明一些精心设计的方案,可以将任意子用作量子计算机的平台。成对的任意子可以在它们的如何彼此绕圈的记忆中编码信息。由于分数统计是“拓扑”的,它取决于一个任意子绕过另一个任意子的次数,而不是其路径的细微变化,即它不受微小扰动的影响。与目前容易出错的量子计算技术相比,这种坚实性可使拓扑量子计算机更易于扩展。微软公司聘请曼弗拉作为高级顾问,在追求量子计算的拓扑路径,而包括IBM、英特尔、谷歌和霍尼韦尔在内的其他大公司在投资其它方法。

拓扑量子计算将需要比曼弗拉及其团队已经证明的还要复杂的任意子。曼弗拉团队目前正在重新设计以达到此目的。对于这个长期寻求的2D结构的“准粒子”,物理学家已经找到了最佳证据,引人入胜而奇特的任意子超然于其它普通粒子,可能是量子计算的有力竞争者。

1. Welcome anyons! Physicists find best evidence yet for long-sought 2D structures. Nature. 03 JULY 2020.

2. Direct observation of anyonic braiding statistics at the ν=1/3 fractional quantum Hall state. arxiv.org/abs/2006.14115 (2020).