原標(biāo)題：窺見物理學(xué)家大腦中的“精靈”

　　光晶格中的原子自旋糾纏態(tài)示意圖

　　任意子編織的示意圖

　　中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉等人在國(guó)際上首次通過(guò)量子調(diào)控的方法，在超冷原子體系中發(fā)現(xiàn)了拓?fù)淞孔游飸B(tài)中的準(zhǔn)粒子——任意子，并實(shí)現(xiàn)了任意子之間的編織交換過(guò)程。

　　日前，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授及其同事苑震生、陳宇翱等人在國(guó)際上首次通過(guò)量子調(diào)控的方法，在超冷原子體系中發(fā)現(xiàn)了拓?fù)淞孔游飸B(tài)中的準(zhǔn)粒子——任意子，并證實(shí)了任意子的分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)特性，向著實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑?jì)算邁出了重要一步。國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然·物理學(xué)》發(fā)表了該成果。

　　究竟什么是任意子？為什么它會(huì)在自然界中出現(xiàn)？

　　自然界存在著奇異粒子

　　1983年，人們?cè)谘芯慨?dāng)時(shí)引人注目的一個(gè)宏觀量子現(xiàn)象——分?jǐn)?shù)量子霍耳效應(yīng)時(shí)，逐漸意識(shí)到這個(gè)效應(yīng)中可能就存在任意子。

　　愛因斯坦曾說(shuō)過(guò)：“常識(shí)只是人們?cè)?8歲以前對(duì)自然形成的一種偏見。”這話很詼諧，但寓意深刻。新的物理現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，就會(huì)產(chǎn)生一種全新的理論。新理論相對(duì)于舊理論而言，一般總是要違背某些所謂的常識(shí)，分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)及服從分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)的任意子理論的誕生及其發(fā)展過(guò)程，就是一個(gè)典型的例證。

　　“量子力學(xué)中最美妙、最驚人的成就之一，就是給經(jīng)典力學(xué)中毫無(wú)意義的全同粒子不可區(qū)分性原理賦予了全新的含義，真正不可區(qū)分的全同粒子之間具有強(qiáng)烈的相互作用”，中國(guó)科技大學(xué)陳宇翱教授告訴科技日?qǐng)?bào)記者，這種相互作用通常是通過(guò)量子統(tǒng)計(jì)規(guī)則來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一般說(shuō)來(lái)，全同粒子可分為兩類：一類是費(fèi)米子，具有強(qiáng)烈的排斥作用；另一類是玻色子， 都可以凝聚到能量最低態(tài)。

　　“多年來(lái)，人們一直認(rèn)為自然界中只存在費(fèi)米和玻色兩種量子統(tǒng)計(jì)。但有人對(duì)此提出了疑義，認(rèn)為可能存在介于玻色子和費(fèi)米子之間的新的全同粒子，這種粒子一般被稱為‘任意子’，它所遵循的統(tǒng)計(jì)規(guī)則叫分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)”，陳宇翱說(shuō)，最早指出這種新的量子統(tǒng)計(jì)可能存在的，是兩位挪威物理學(xué)家。在系統(tǒng)地研究了空間拓?fù)湫再|(zhì)和全同粒子不可區(qū)分性原理后，意識(shí)到在二維空間中可能存在新的量子統(tǒng)計(jì)，1982年美國(guó)物理學(xué)家F·魏爾茨克提出了任意子的概念。

　　隨后研究表明，任意子可以存在于某些理論模型之中，當(dāng)時(shí)的任意子僅僅是寄生在少數(shù)幾個(gè)理論物理學(xué)家大腦中的精靈，甚至被認(rèn)為這只是一些數(shù)學(xué)上的奇異現(xiàn)象，誰(shuí)都沒有料想到，現(xiàn)實(shí)世界中居然還真的會(huì)發(fā)現(xiàn)這種奇異粒子存在的跡象。1983年，人們?cè)谘芯慨?dāng)時(shí)引人注目的一個(gè)宏觀量子現(xiàn)象——分?jǐn)?shù)量子霍耳效應(yīng)時(shí)，逐漸意識(shí)到這個(gè)效應(yīng)中可能就存在任意子。

　　這在物理學(xué)界引起了廣泛注意，從而為任意子的理論研究注入了生機(jī)。在分?jǐn)?shù)量子霍耳效應(yīng)理論方面作出了杰出貢獻(xiàn)的美國(guó)物理學(xué)家R.B.勞克林指出，處在費(fèi)米和玻色子之間的服從1/2統(tǒng)計(jì)的任意子的基態(tài)可能是超導(dǎo)的，他的理論簡(jiǎn)單新穎，激發(fā)了人們對(duì)任意子理論進(jìn)行深入細(xì)致的研究，成為理論物理研究中的一個(gè)熱點(diǎn)。

　　“當(dāng)任意子的概念提出時(shí)，它似乎違反了量子力學(xué)的基本常識(shí)，但通過(guò)分析量子力學(xué)中拓?fù)湫再|(zhì)后，找到了這種粒子在二維空間存在的可能性。”陳宇翱說(shuō)。

　　任意子只會(huì)在二維空間出現(xiàn)

　　二維空間的拓?fù)湫再|(zhì)與現(xiàn)實(shí)生活中的螺旋結(jié)構(gòu)有些類似。在二維空間中，兩個(gè)全同粒子交換位置，總可以分為逆時(shí)針和順時(shí)針兩個(gè)方向的繞動(dòng)。這就是二維空間中為什么會(huì)出現(xiàn)任意子的原因。

　　既然任意子只會(huì)在二維空間出現(xiàn)，而我們生活的世界是三維的，那么現(xiàn)實(shí)世界中不就沒有任意子存在了嗎？

　　為了解答記者提出的問(wèn)題，陳宇翱教授舉了個(gè)日常生活中的例子：“例如女孩子編辮子，將一部分頭發(fā)分成三股，依次由外朝里編，每編一次就會(huì)形成一個(gè)結(jié)，連續(xù)編兩次，頭發(fā)并不會(huì)回到原來(lái)的狀態(tài)，多編幾次就編成了一個(gè)辮子。又如，我們繞螺旋樓梯登高塔，每走一圈就上升一層，并不是回到原地，但從塔頂往下看，我們只是繞塔在原地兜圈子。”

　　“二維空間的拓?fù)湫再|(zhì)多少與這些具有螺旋結(jié)構(gòu)的例子有些類似”，陳宇翱告訴記者，在二維空間中，兩個(gè)全同粒子交換位置，總可以分為逆時(shí)針和順時(shí)針兩個(gè)方向的繞動(dòng)。而在三維空間中脫離一個(gè)特定的平面后，或者說(shuō)一個(gè)有特定方向的軸線后，就不再有繞動(dòng)這樣的概念。“所以，在二維空間中兩個(gè)粒子朝一個(gè)方向連續(xù)交換兩次，波函數(shù)并不一定要求回到原來(lái)的狀態(tài)，而完全可以多出一個(gè)復(fù)相因子，這時(shí)波函數(shù)的幾率分布并不改變”，“不太嚴(yán)格地說(shuō),這就是二維空間中為什么會(huì)出現(xiàn)任意子的原因”。

　　近幾十年來(lái)，物理學(xué)家對(duì)具有低維結(jié)構(gòu)的物質(zhì)進(jìn)行了大量的研究發(fā)現(xiàn)，這些固體中有許多現(xiàn)象和低維空間的許多性質(zhì)相關(guān)，如固體中的層狀結(jié)構(gòu)就具有二維空間的許多性質(zhì)，這為任意子的存在提供了基礎(chǔ)。當(dāng)1983年美國(guó)物理學(xué)家霍爾珀林指出，現(xiàn)實(shí)世界中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)任意子存在的論據(jù)時(shí)，連任意子理論創(chuàng)導(dǎo)者之一的F·魏爾茨克都表示驚訝不已，大有“葉公好龍”之嫌。

　　“雖然現(xiàn)實(shí)世界是三維的，但是固體物質(zhì)的豐富結(jié)構(gòu)為我們尋找新的復(fù)合粒子提供了有利場(chǎng)所，脫離這些物質(zhì)我們是不可能發(fā)現(xiàn)新的任意子的。”陳宇翱說(shuō)。

　　“窺見”任意子

　　潘建偉研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地搭建了新的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并開發(fā)了獨(dú)特的量子調(diào)控技術(shù)，通過(guò)微波反轉(zhuǎn)原子自旋的方法，實(shí)現(xiàn)了任意子之間的編織交換過(guò)程。

　　任意子的理論被提出后不久，物理學(xué)家就在實(shí)驗(yàn)中捕捉到了它的蹤跡。但如何直接實(shí)驗(yàn)觀測(cè)任意子交換時(shí)產(chǎn)生的拓?fù)湎辔唬M(jìn)而驗(yàn)證其分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)特性，一直是一個(gè)巨大的實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)。

　　10多年前，潘建偉研究團(tuán)隊(duì)就開始了對(duì)拓?fù)淞孔佑?jì)算的研究并取得了一系列成果。近期，他們創(chuàng)造性地搭建了新的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并開發(fā)了獨(dú)特的量子調(diào)控技術(shù)，研發(fā)了自旋依賴的超晶格系統(tǒng)來(lái)囚禁和操控超冷原子，成功操控光晶格中約800個(gè)超冷原子同時(shí)產(chǎn)生了約200個(gè)四原子自旋糾纏態(tài)。他們首次觀測(cè)到了四體環(huán)交換相互作用，并通過(guò)微波反轉(zhuǎn)原子自旋的方法，實(shí)現(xiàn)了任意子之間的編織交換過(guò)程，首次在光晶格體系中直接觀測(cè)到了任意子交換產(chǎn)生的分?jǐn)?shù)拓?fù)湎辔弧?/p>

　　“研究成果的實(shí)現(xiàn)，的確是一件令人激動(dòng)的成就。”陳宇翱表示，這將為進(jìn)一步研究任意子的拓?fù)湫再|(zhì)提供新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和手段，將推動(dòng)拓?fù)淞孔佑?jì)算和晶格規(guī)范場(chǎng)量子模擬領(lǐng)域的研究進(jìn)展。

　　有學(xué)者甚至提出一個(gè)大膽的設(shè)想，利用拓?fù)洳牧媳Ｗo(hù)量子比特并操控材料中的任意子進(jìn)行量子計(jì)算。而理論研究表明，拓?fù)淞孔佑?jì)算可以達(dá)到很高的容錯(cuò)能力，進(jìn)而激發(fā)了科學(xué)家們研制量子計(jì)算機(jī)的熱情。

　　“現(xiàn)在我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)自然界中確實(shí)存在任意子，這極大地豐富了量子理論，使我們對(duì)物質(zhì)世界有了更深刻的認(rèn)識(shí)。可以相信，隨著人們對(duì)具有層狀結(jié)構(gòu)的物質(zhì)進(jìn)行深入的研究，任意子理論會(huì)具有更廣泛的應(yīng)用前景，但其中還有許多基本問(wèn)題有待去研究、去探索。”陳宇翱說(shuō)。