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(lèi)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(méi)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(lèi)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(jiàn)”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(kāi)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?，進(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(kāi)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(kāi)發(fā)了獨(dú)特的量子調(diào)控技術(shù)，研發(fā)了自旋依賴(lài)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)?？梢韵嘈牛S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)。(本報(bào)記者 吳長(zhǎng)鋒)