最近，来自中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室的潘建伟教授和他的同事陈增兵、陆朝阳等，在元月23日出版的《物理评论快报》（PRL）上发表研究论文，在国际上首次通过操纵多光子纠缠态和量子模拟方法，实验证实了一种存在于两维空间的奇特粒子——任意子——服从分数统计。这一研究独辟蹊径地利用量子信息技术来模拟凝聚态物理学里面的重要问题，在原理上证实了“任意子”独特的分数统计现象和拓扑性质，在量子计算的实际应用领域迈出了重要一步。

 

近代物理学把在处于三维空间中的基本微观粒子按照统计性质划分为两大类：玻色子和费米子；其中波函数交换对称的是玻色子（如光子），而交换反对称的则是费米子（如电子）。1977年，挪威科学家Leinaas和Myrheim提出一个令人惊讶的理论：在二维空间可能出现介于玻色统计和费米统计之间的新的分数统计（Fractional Statistics）。对于这类奇异粒子，波函数对两粒子坐标交换不再局限于出现一个简单的正或负号，而是可以获得一个任意数值的统计相位。因此，美国物理学家Wilczek为之取名为“任意子”（anyon）。

 

任意子的理论被提出不久，物理学家就在实验上捕捉到了它的踪迹。1982年，美国华裔科学家、1998年诺贝尔物理奖得主崔琦等首先在二维电子气中发现分数量子霍尔效应；之后，国际上一些研究小组又通过一系列实验直接观测到任意子的分数电荷的存在。然而，揭示任意子的分数统计性质的实验难度相当大，近年来，尽管研究人员已经在分数量子霍尔效应体系获得部分验证，但是由于该系统内部错综复杂的多体相互作用，任意子的分数统计现象还是显得难以捉摸。

 

针对这个问题，美国密西根大学的段路明及其合作者提出一个新的理论途径：通过构建量子纠缠态来模拟自旋格子中的任意子统计规律。这种量子模拟的手段不依赖于复杂的物理系统本身，而是利用相干操纵若干量子比特来完成，具有更好的可控制性，显示了量子信息技术的一个强大的应用。

 

在这个新的研究方向上，凭借多年的量子信息研究积淀，中国科大潘建伟研究小组率先开展了一系列深入的实验探索。研究人员利用六光子纠缠态作为模拟任意子激发和操纵的载体，首次清楚地揭示了一类任意子的具有不同于普通玻色子或费米子的统计相位。审稿人评价这一工作“连接了凝聚态物理和量子计算这两个重要的领域”，“具有非常广泛的兴趣”。该小组后续的研究还将进一步探索任意子在具有容错功能的拓扑量子计算中的应用。（来源：中国科学技术大学）