研究員為任意子和量子計算研究鋪平道路

實驗示意圖：通過精確定位一組高品質的鏡子，可以在光學腔的腰部生成任意子。向腔內注入光子即可產生含有任意激發態(anyonic excitations)的量子態。

在三維世界中，所有基本粒子可分成兩類：一類是構成光的光子，而另一類是組成物質的電子和質子。

然而在假想的二維世界，還有無限多的其他粒子，人們稱之為「任意子」。這些理論粒子的特點是可以通過移動它們操縱量子信息。利用任意子構建系統有可能實現超快且無錯的量子計算。

康奈爾大學物理系教授Erich Mueller和博士生Shovan Dutta最近提出了一種新方法以產生特定的量子態，其激發態可以充當任意子，這為實現超快無錯量子計算邁出了重要一步。

他們的論文「在腔中產生光子分數量子霍爾態的相干性和尋找任意准粒子的相關研究」於3月15日發表在《Physical Review A》雜誌上，由美國物理學會出版。

他們利用超高反射鏡將光反射到平面上,形成「光腔」。隨後用激光照射光腔，發現光子可以表現出二維世界中物質粒子的性質。這是波粒二象性的一種表現，是量子力學的一個重要原理。

Dutta說，他們的研究工作是基於15年前的理論和實驗經驗，其中部分研究是在Mueller研究組完成的。

他說：「科學家一直在為未來的研究鋪路，我們的前輩已經為我們打下了一個很好的基礎。我們要做的是把他們的一些想法和我們的新靈感相融合，從而創造新的任意子，並結合他們的看法，全面綜合地認識相關領域的研究。」

Mueller表示：「我們的協議是以一種非常合理的方式為任意子創建必要的量子態。前人的研究主要集中在理論方面，而我們的研究提出了實際可操作的步驟，實驗室的科學家們可以在一兩年內實現這一技術。」

Dutta和Mueller使用了一種獨特的方法用激光照射腔，依次注入光子，進而生成一種有特殊激發態的獨特量子「流體」，這是此項研究的關鍵。

「你看這些波紋，這些光子膜上的波浪和旋渦。它看起來就像液體一樣。」Dutta說。

這些看起來像旋渦的激發態就是我們需要的任意子：它們的表現像粒子，但是由於他們具有集體性，所以表現得像未知的基本粒子一樣。此項研究展示了如何利用聚焦激光束產生這些任意子，以及當兩個任意子發生交換(該過程被稱為「編織」)時如何進行測量。

此次實驗採用的都是現有的技術，因此也可以被認為是最簡單的編織協議(braiding protocol)——這是拓撲量子計算方案的基礎。

Mueller說，他們的工作為未來涉及其他類型的任意子和更複雜的量子態(實現容錯量子計算的必要條件)的工作提供了所需要的藍圖,但准粒子編織「看起來和我們所做的工作非常相似」。

Dutta說，他們已經解決了限制現有理論建議的適用性的一些重大技術問題。

「我們的進展可以用突飛猛進來形容。一方面，我們的協議可以產生具有高保真度的態，另一方面，現在所需的實驗參數遠沒有以前的建議那麼嚴格。」

這項研究由美國國家科學基金會和美國陸軍研究辦公室資助。

本文由量子計算最前沿基於相關資料原創編譯，轉載請聯繫本公眾號獲得授權。

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