最近，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉及其同事苑震生、陳宇翱等在國際上首次通過量子調(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，并通過主動控制兩類任意子之間的交換和編織，證實(shí)了任意子的分?jǐn)?shù)統(tǒng)計特性，向著實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑嬎愕姆较蜻~出了重要一步。近日，國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然-物理學(xué)》以研究長文的形式在線發(fā)表了這項(xiàng)重要研究成果。 n.2E8m/  
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　　組成物質(zhì)世界的基本粒子通常根據(jù)其攜帶的自旋分為兩類，即自旋為整數(shù)的玻色子（如光子）和自旋為半整數(shù)的費(fèi)米子（如電子）。然而，1977年，挪威科學(xué)家Leinaas和Myrheim提出一個令人驚訝的理論：在二維空間中存在某種粒子，其行為服從介于玻色統(tǒng)計和費(fèi)米統(tǒng)計之間的新的分?jǐn)?shù)統(tǒng)計。由這類奇異粒子構(gòu)成的物理系統(tǒng)，其波函數(shù)在兩粒子坐標(biāo)交換的情況下不體現(xiàn)對稱或反對稱性，而是獲得一個任意的相位因子。因此，美國物理學(xué)家、2004年諾貝爾物理學(xué)獎得主Wilczek將該類準(zhǔn)粒子命名為任意子（Anyon）。 uvu**s  
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　　任意子的理論被提出后不久，物理學(xué)家就在實(shí)驗(yàn)上捕捉到了它的蹤跡。1982年，美國華裔科學(xué)家崔琦等在二維電子氣中發(fā)現(xiàn)分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，也借此獲得1998年的諾貝爾物理學(xué)獎；之后，國際上一些研究小組又通過一系列實(shí)驗(yàn)觀測到任意子具有分?jǐn)?shù)電荷的特征，并發(fā)現(xiàn)這些分?jǐn)?shù)的大小與材料的拓?fù)湫再|(zhì)有關(guān)：材料的拓?fù)湫再|(zhì)不同，產(chǎn)生的分?jǐn)?shù)拓?fù)湎辔灰哺�著變化。然而，如何直接�?shí)驗(yàn)觀測任意子交換時產(chǎn)生的拓?fù)湎辔贿M(jìn)而驗(yàn)證其分?jǐn)?shù)統(tǒng)計特性，一直是一個巨大的實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)。 o7_MM
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　　1997年，正在人們著迷于研究任意子的基本物理性質(zhì)的時候，時任朗道理論物理所研究員、2016年基礎(chǔ)科學(xué)突破獎得主Kitaev提出另一個大膽的想法：能否利用拓?fù)洳牧献鳛榱孔颖忍貜奈锢韺用嬉种仆讼喔蓮亩�保護(hù)量子比特，并操控材料中的任意子進(jìn)行量子計算？他隨即發(fā)展了一套基于任意子編織的拓?fù)淞孔佑嬎憷碚�，很快引起了量子物理學(xué)家的關(guān)注。之后的理論研究表明，拓?fù)淞孔佑嬎愕娜蒎e能力比之前最好的基于糾錯碼的量子計算提升了約3個數(shù)量級，達(dá)到了約1%，該容錯率是目前實(shí)驗(yàn)技術(shù)能夠達(dá)到的水平，這極大地激發(fā)了科學(xué)家們研制量子計算機(jī)的熱情。 +zFV~]b  
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　　潘建偉研究團(tuán)隊(duì)十多年前就開始了拓?fù)淞孔佑嬎愕膶?shí)驗(yàn)研究并取得了一系列研究成果，這包括使用六光子糾纏態(tài)模擬了任意子交換的分?jǐn)?shù)統(tǒng)計特性[Phys. Rev. Lett. 102, 030502 (2009)]和使用八光子糾纏態(tài)構(gòu)建了拓?fù)淞孔蛹m錯碼[Nature 482, 489 (2012)]。上述實(shí)驗(yàn)中，由于光子之間不存在相互作用，并未形成Kitaev模型中的拓?fù)湮飸B(tài)，因此在物理層面不具備拓?fù)浔Ｗo(hù)能力。能否實(shí)驗(yàn)制備Kitaev模型所描述的拓?fù)湮飸B(tài)并觀測其中的任意子統(tǒng)計，成為量子信息科學(xué)中亟待解決的一個重大問題。 O ,Pl7x%tK  
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　　針對這一重大問題，該研究團(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)。Kitaev模型對應(yīng)的拓?fù)湮飸B(tài)需要粒子之間的相互作用為四體相互作用，而自然界中存在的物質(zhì)內(nèi)部粒子相互作用以兩體相互作用為主，此前人們從未在任何物質(zhì)中直接觀測到四體相互作用。該團(tuán)隊(duì)選擇構(gòu)建人工量子晶體來實(shí)現(xiàn)這一特殊的粒子間相互作用，研發(fā)了自旋依賴的超晶格系統(tǒng)來囚禁和操控超冷原子，并在晶格中巧妙地用光極化勢形成了有效磁場梯度，抑制了晶格中存在的兩體相互作用，使四體相互作用凸顯并成為主導(dǎo)該物理系統(tǒng)的主要相互作用，成功操控光晶格中約800個超冷原子同時產(chǎn)生了約200個四原子自旋糾纏態(tài)；為了觀測晶格中超冷原子的動力學(xué)行為，他們開發(fā)了高分辨的原位光吸收成像技術(shù)，首次觀測到四體環(huán)交換相互作用并演示了對此相互作用進(jìn)行量子調(diào)控的能力；研究人員進(jìn)而構(gòu)建了Kitaev模型的最基本單元哈密頓量，通過微波反轉(zhuǎn)原子自旋的方法，實(shí)現(xiàn)了任意子之間的編織交換過程，首次在光晶格體系中直接觀測到了任意子交換產(chǎn)生的分?jǐn)?shù)拓?fù)湎辔唬�成為Kitaev理論模型提出20年后該體系中任意子分?jǐn)?shù)統(tǒng)計特性的最直接的實(shí)驗(yàn)證明。 s`8M%ZLu  
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　　該研究成果的實(shí)現(xiàn)，為人們進(jìn)一步研究任意子的拓?fù)湫再|(zhì)提供了新的實(shí)驗(yàn)平臺和手段，將推動拓?fù)淞孔佑嬎愫途Ц褚?guī)范場量子模擬領(lǐng)域的研究進(jìn)展。該工作的預(yù)印本在arXiv網(wǎng)站一經(jīng)公布，即獲得了學(xué)術(shù)界同行的廣泛興趣和高度評價，如量子信息領(lǐng)域的國際著名學(xué)者、2013年沃爾夫物理學(xué)獎獲得者Zoller等在《自然-物理學(xué)》發(fā)表的綜述文章對該工作的評價為：“使用冷原子實(shí)現(xiàn)了一個最小的Kitaev toric-code哈密頓量；這個系統(tǒng)顯現(xiàn)了任意子分?jǐn)?shù)統(tǒng)計特性，是拓?fù)湎啻嬖诘拿靼谉o誤的證據(jù)。” v$gMLu=  
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　　該工作得到科技部、國家自然科學(xué)基金委、教育部、中科院等的資助。 HI"!n$p