量子位是量子計算中用來編碼信息的單位，并非所有量子位都是一樣的。一些研究人員認為，拓撲量子位元可能是推動量子計算向前發(fā)展的最佳媒介。一些研究人員認為拓撲量子比較強，對環(huán)境噪聲的影響也更小。

量子物理學研究的是基本粒子如何相互作用，有時會聚集在一起形成新的準粒子。準粒子出現(xiàn)在奇特的理論模型中，但通過實驗觀察和測量它們一直是一個挑戰(zhàn)。隨著一種可以使研究人員探測準粒子干涉的新設(shè)備問世，我們可能又向前邁進了一大步，這些發(fā)現(xiàn)發(fā)表在2019年3月4日的《自然物理》期刊上。邁克爾·曼夫拉(Michael Manfra)表示，我們能夠通過讓這些粒子相互干涉來探測它們

博科園-科學科普：人們嘗試這么做已經(jīng)很長時間了，但一直存在重大的技術(shù)挑戰(zhàn)。為了研究這么小的粒子，Manfra團隊使用晶體生長技術(shù)，一個原子層一個原子層地構(gòu)建微小的器件，這種技術(shù)被稱為分子束外延。這些器件非常小，以致于它們把電子限制在二維空間內(nèi)。就像大理石在桌面上滾動一樣，它們不能上下移動。如果設(shè)備或“桌面”足夠干凈和光滑，那么主導實驗物理學的不是電子的個別行為，而是它們?nèi)绾蜗嗷プ饔?。為了將單個粒子的能量降到最低，曼夫拉團隊將它們冷卻到極低的溫度——大約零下460華氏度（237.78攝氏度）。

此外，電子受到大磁場的作用，在這三個條件下：極端寒冷的溫度，限制在二維空間，暴露在磁場中，真正奇怪的物理現(xiàn)象開始發(fā)生。物理學家稱之為分數(shù)量子霍爾體系。在這些奇異的條件下，電子可以自行排列，使基本物體看起來像是攜帶了三分之一的電子電荷，研究人員認為基本粒子要么是玻色子，要么是費米子，這取決于粒子的自旋，但準粒子在圍繞彼此演化時，其行為要復(fù)雜得多。確定這些狀態(tài)的電荷和統(tǒng)計性質(zhì)是量子物理學中一個長期存在的挑戰(zhàn)。為了使這些粒子相互干涉干擾，曼夫拉研究小組制造了一臺干涉儀：

一種將兩個或多個準粒子源融合在一起以產(chǎn)生干涉圖樣的裝置。如果把兩塊石頭扔進池塘，它們的波在某一點相交，這就是它們產(chǎn)生干涉的地方，圖案就會改變。但是在更小范圍內(nèi)復(fù)制這些效果是極其困難。在這樣一個狹小的空間里，電子往往會相互排斥，所以將另一個電子放入空間需要額外的能量。這往往會擾亂干死效應(yīng)，使研究人員無法清楚地看到它們。普渡大學干涉儀克服了這一難題，在距離干涉準粒子僅25納米的地方添加了金屬板。金屬板屏蔽了排斥性相互作用，降低了能源成本，并允許干擾發(fā)生。

新設(shè)備每一面都有相同的墻壁和金屬門，有點像彈珠機。但不像彈珠，它在周圍混亂地散射，電子在這個設(shè)備遵循一個非常嚴格的模式。普渡大學(Purdue)博士生、論文第一作者詹姆斯·中村(James Nakamura)說：量子霍爾效應(yīng)的神奇之處在于，所有電流都將在樣本的邊緣流動，而不是通過樣本的中間，當準粒子穿過光束分離器時，它們在量子力學意義上被一分為二。這在兩個分光器上發(fā)生了兩次，干涉發(fā)生在兩個不同的路徑之間。

在這樣一個奇異的物理領(lǐng)域，研究人員很難知道他們認為自己看到的是不是他們實際看到的。但這些結(jié)果表明，研究人員已首次目睹準粒子的量子力學干涉。這個機制也可以幫助以后拓撲量子位的發(fā)展。這是嘗試做更復(fù)雜實驗的唯一可行平臺。在更復(fù)雜狀態(tài)下，這些實驗可能是拓撲量子位的基礎(chǔ)。研究人員已經(jīng)嘗試了一段時間，最終目標是驗證這些非常奇怪的屬性。還沒有完全做到這一點，但已經(jīng)證明這是最好的前進方式。

博科園-科學科普｜研究/來自: 普渡大學

參考期刊文獻:《Nature Physics》

DOI: 10.1038/s41567-019-0441-8

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