美国布朗大学的一组研究人员展示了一种探测“任意子”特性的新方法，这种奇怪的准粒子可能在未来的量子计算机中有用。

在发表在《物理评论快报》杂志上的研究中，该团队描述了一种通过测量任意子导热方式的微妙特性来探测它们的方法。与其他方法使用电荷探测这些粒子不同，这种新方法使研究人员能够在非导电材料中探测任意子。研究人员说，这很关键，因为非导电系统的温度要求要低得多，这使它们成为量子计算更实用的选择。

论文作者、布朗大学物理学教授Dima Feldman说：“我们已有使用电荷探测任意子的漂亮方法，但问题是你如何在绝缘系统中检测它们，这对所谓的拓扑量子计算很有用。我们的研究表明可以使用热导来完成。本质上，这是对在任何物质态下工作的任意子的通用测试。”

任意子令人非常感兴趣，因为它们不遵循日常三维世界中粒子的规则。在三维空间中，只有两大类粒子：玻色子和费米子。玻色子遵循玻色-爱因斯坦统计，而费米子遵循费米-狄拉克统计。一般来说，这些不同的统计规则意味着，如果一个玻色子在量子系统中围绕另一个玻色子运行，那么粒子的波函数(完全描述其量子态的方程)不会改变。另一方面，如果一个费米子绕另一个费米子运行，则其波函数的相位值会从正整数翻转为负整数。如果它再次绕轨道运行，波函数将返回其原始状态。

任何只出现在并受限于二维系统中的任意子都不遵循任何一条三维世界的统计规则。当一个任意子绕另一个运行时，它的波函数会改变整数的某个分数。而另一条轨道也不一定能恢复波函数的原始值。取而代之的是，它有一个新值，而且几乎就像粒子保持着与另一个粒子相互作用的“记忆”，即使它最终回到了它开始的地方。
 
过去相互作用的记忆可用于以鲁棒的方式对信息进行编码，这就是为什么粒子是量子计算的有趣工具。量子计算机有望执行某些类型的计算，而这些计算对于当今的计算机来说几乎是不可能的。使用任意子的量子计算机(称为拓扑量子计算机)有可能在不进行复杂纠错的情况下运行，纠错是寻求可用量子计算机路上的主要绊脚石。

但是使用任意子进行计算首先需要能够通过探测它们的量子统计来识别这些粒子。去年，研究人员首次使用了一种被称为“电荷干涉测量法”的技术做到了这一点。从本质上讲，任意子相互旋转，导致它们的波函数偶尔会相互干扰。干涉模式揭示了粒子的量子统计。这种利用电荷探测任意子的技术在导电系统中效果很好，但它不能用于探测非导电系统中的任意子。与需要接近绝对零度的导电系统相比，非导电系统有可能在更高的温度下有用，这使它们成为拓扑量子计算的更实用选择。

对于这项新研究，2017年首次测量任意子热导的团队成员Feldman与布朗大学研究生Zezhu Wei和布朗大学物理学教授兼实验家Vesna Mitrovic合作。Wei、Feldman和Mitrovic的研究工作表明，比较以非常特定几何形状蚀刻的二维固体的热导性可以揭示这些系统中任意子的统计数据。

Mitrovic说：“两种几何结构中热导率的任何差异都将成为分数统计的确凿证据……这项研究所做的正是展示了人们应该如何在他们的实验室中设置实验以来测试这些奇怪的统计数据。”

研究人员希望这项研究最终将是了解任意子的奇怪行为是否确实可以用于拓扑量子计算的基础性一步。（编译:Qtech）