潘建伟等首次在超冷原子体系中观测到任意子激发

新华社合肥9月12日电(记者徐海涛)记者从中国科技大学获悉，潘建伟教授及其同事袁振生、陈玉傲等人最近在世界上首次通过量子调控发现了超冷原子系统中拓扑量子态的准粒子任意子，并证实了任意子的分数统计特性，这是实现拓扑量子计算的重要一步。国际权威学术期刊《自然物理学》最近公布了这一结果。

构成物质世界的基本粒子通常根据它们携带的自旋分为两类:具有整体自旋的玻色子(如光子)和具有半整体自旋的费米子(如电子)。然而，在1977年，两位挪威科学家提出了一个令人惊讶的新理论:在二维空间中有一个粒子，其行为遵循玻色统计和费米统计之间的新分数统计。当两个粒子的坐标交换时，由这种奇怪粒子组成的物理系统的波函数并不显示对称性或反对称性，而是获得一个任意的相位因子。美国物理学家、诺贝尔物理学奖获得者威尔切克将准粒子命名为“任意子”

任何森的理论提出后不久，物理学家就在实验中发现了它的踪迹。然而，直接观察任意子交换过程中产生的拓扑相位并验证其分数统计特性一直是一个巨大的实验挑战。一些学者提出了一个大胆的想法，用拓扑材料来保护量子位，操纵材料中的任何原子进行量子计算。理论研究表明，拓扑量子计算能够实现高容错性，激发了科学家开发量子计算机的热情。

十多年前，潘剑伟的研究团队开始研究拓扑量子计算，并取得了一系列成果。最近，他们创造性地建立了一个新的实验系统，开发了一种独特的量子控制技术。他们开发了一个依赖自旋的超晶格系统来捕获和操纵过冷原子。他们成功地操纵了光学晶格中约800个过冷原子，同时产生了约200个四个原子的自旋纠缠态。他们首次观察到四体环交换相互作用，并通过原子自旋的微波反转实现了任意粒子间的编织交换过程。他们首次直接观察到光学晶格系统中任意子交换产生的分数拓扑相位。

据介绍，该研究成果的实现为进一步研究任意子的拓扑性质提供了一个新的实验平台和手段，并将推动拓扑量子计算和晶格规范场量子模拟领域的研究进展。