窥见物理学家大脑中的“精灵” 任意子什么是？

窥见物理学家大脑中的“精灵” 什么是任意子?

光晶格中的原子自旋纠缠态示意图

中国科学技术大学潘建伟等人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，并实现了任意子之间的编织交换过程。

日前，中国科学技术大学潘建伟教授及其同事苑震生、陈宇翱等人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，并证实了任意子的分数统计特性，向着实现拓扑量子计算迈出了重要一步。国际权威学术期刊《自然·物理学》发表了该成果。

任意子编织的示意图

究竟什么是任意子?为什么它会在自然界中出现?

自然界存在着奇异粒子

1983年，人们在研究当时引人注目的一个宏观量子现象——分数量子霍耳效应时，逐渐意识到这个效应中可能就存在任意子。

爱因斯坦曾说过：“常识只是人们在18岁以前对自然形成的一种偏见。”这话很诙谐，但寓意深刻。新的物理现象的发现，就会产生一种全新的理论。新理论相对于旧理论而言，一般总是要违背某些所谓的常识，分数统计及服从分数统计的任意子理论的诞生及其发展过程，就是一个典型的例证。

“量子力学中最美妙、最惊人的成就之一，就是给经典力学中毫无意义的全同粒子不可区分性原理赋予了全新的含义，真正不可区分的全同粒子之间具有强烈的相互作用”，中国科技大学陈宇翱教授告诉科技日报记者，这种相互作用通常是通过量子统计规则来实现的。一般说来，全同粒子可分为两类：一类是费米子，具有强烈的排斥作用;另一类是玻色子， 都可以凝聚到能量最低态。

“多年来，人们一直认为自然界中只存在费米和玻色两种量子统计。但有人对此提出了疑义，认为可能存在介于玻色子和费米子之间的新的全同粒子，这种粒子一般被称为‘任意子’，它所遵循的统计规则叫分数统计”，陈宇翱说，最早指出这种新的量子统计可能存在的，是两位挪威物理学家。在系统地研究了空间拓扑性质和全同粒子不可区分性原理后，意识到在二维空间中可能存在新的量子统计，1982年美国物理学家F·魏尔茨克提出了任意子的概念。

随后研究表明，任意子可以存在于某些理论模型之中，当时的任意子仅仅是寄生在少数几个理论物理学家大脑中的精灵，甚至被认为这只是一些数学上的奇异现象，谁都没有料想到，现实世界中居然还真的会发现这种奇异粒子存在的迹象。1983年，人们在研究当时引人注目的一个宏观量子现象——分数量子霍耳效应时，逐渐意识到这个效应中可能就存在任意子。

这在物理学界引起了广泛注意，从而为任意子的理论研究注入了生机。在分数量子霍耳效应理论方面作出了杰出贡献的美国物理学家R.B。劳克林指出，处在费米和玻色子之间的服从1/2统计的任意子的基态可能是超导的，他的理论简单新颖，激发了人们对任意子理论进行深入细致的研究，成为理论物理研究中的一个热点。

“当任意子的概念提出时，它似乎违反了量子力学的基本常识，但通过分析量子力学中拓扑性质后，找到了这种粒子在二维空间存在的可能性。”陈宇翱说。