中国科大首次在超冷原子体系中观测到任意子激发

2017年09月13日15:28  来源:人民网-科技频道
 

人民网9月13日电 (张歌)记者从中国科学技术大学官网获悉,最近,中科大教授潘建伟及其同事苑震生、陈宇翱等在国际上首次通过量子调控的方法,在超冷原子体系中发现了拓扑量子物态中的准粒子--任意子,并通过主动控制两类任意子之间的交换和编织,证实了任意子的分数统计特性,向着实现拓扑量子计算的方向迈出了重要一步。

组成物质世界的基本粒子通常根据其携带的自旋分为两类,即自旋为整数的玻色子(如光子)和自旋为半整数的费米子(如电子)。然而,1977年,挪威科学家Leinaas和Myrheim提出一个令人惊讶的理论:在二维空间中存在某种粒子,其行为服从介于玻色统计和费米统计之间的新的分数统计。由这类奇异粒子构成的物理系统,其波函数在两粒子坐标交换的情况下不体现对称或反对称性,而是获得一个任意的相位因子。因此,美国物理学家、2004年诺贝尔物理学奖得主Wilczek将该类准粒子命名为“任意子”(Anyon)。

任意子的理论被提出后不久,物理学家就在实验上捕捉到了它的踪迹。然而,如何直接实验观测任意子交换时产生的拓扑相位进而验证其分数统计特性,一直是一个巨大的实验挑战。

潘建伟研究团队十多年前就开始了拓扑量子计算的实验研究并取得了一系列研究成果,这包括使用六光子纠缠态模拟了任意子交换的分数统计特性和使用八光子纠缠态构建了拓扑量子纠错码。上述实验中,由于光子之间不存在相互作用,并未形成Kitaev模型中的拓扑物态,因此在物理层面不具备拓扑保护能力。能否实验制备Kitaev模型所描述的拓扑物态并观测其中的任意子统计,成为量子信息科学中亟待解决的一个重大问题。

针对这一重大问题,该研究团队创造性地搭建了新的实验系统和开发了独特的量子调控技术。Kitaev模型对应的拓扑物态需要粒子之间的相互作用为四体相互作用,而自然界中存在的物质内部粒子相互作用以两体相互作用为主,此前人们从未在任何物质中直接观测到四体相互作用。该团队选择了构建人工量子晶体来实现这一特殊的粒子间相互作用,研发了自旋依赖的超晶格系统来囚禁和操控超冷原子,并在晶格中巧妙地用光极化势形成了有效磁场梯度,抑制了晶格中存在的两体相互作用,使四体相互作用凸显并成为主导该物理系统的主要相互作用,成功操控光晶格中约800个超冷原子同时产生了约200个四原子自旋纠缠态。

据悉,为了观测晶格中超冷原子的动力学行为,他们开发了高分辨的原位光吸收成像技术,首次观测到了四体环交换相互作用并演示了对此相互作用进行量子调控的能力;进而构建了Kitaev模型的最基本单元哈密顿量,通过微波反转原子自旋的方法,实现了任意子之间的编织交换过程,首次在光晶格体系中直接观测到了任意子交换产生的分数拓扑相位,是Kitaev理论模型提出20年后该体系中任意子分数统计特性的最直接的实验证明。

该研究成果的实现,为人们进一步研究任意子的拓扑性质提供了新的实验平台和手段,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。 

(责编:张歌、申宁)

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