如果我们生活在一个平面的二维世界里会怎样？物理学家预测，在这种情况下，量子力学会变得更奇怪，会导致出现一种被称为“任意子”的奇异粒子，而它在我们生活的三维世界中是不存在的。这个陌生的世界不仅是一种科学好奇，也可能是解锁未来量子材料和技术的关键。

慕尼黑工业大学和诺丁汉大学的科学家与谷歌量子人工智能团队合作，他们使用高度可控的量子处理器来模拟量子物质的这种状态。这项研究结果发表在最新一期的科学期刊《科学》上。

我们宇宙中的所有粒子都有两种类型：玻色子或费米子。在我们生活的三维世界中，这种观察是站得住脚的。然而，大约在50年前的一个理论预测说：当物质被限制在二维空间时，可能存在其他类型的粒子，这种类型的粒子被称为任意子。

虽然这些任意子在我们的宇宙中并不作为基本粒子出现，但事实证明，任意子粒子可以在所谓的物质拓扑相中作为集体激发而出现，从事该研究的物理学家Frank Wilczek因此在2016年获得了诺贝尔物理学奖。

诺丁汉大学的Adam Smith博士说：“我们通过在模拟中相互移动这些任意子，并将它们扭曲成对，从而揭示了它们的被物理学家称之为‘编织统计’的奇异特性。”

这些集体激发的一个简单理解画面是体育场人群形成的“波浪”——它有一个明确的位置，但如果没有成千上万的人来组成人群，它就不可能存在。然而，通过实验实现和模拟这种拓扑有序态已被证明是极具挑战性的。

在一个具有里程碑意义的实验中，来自慕尼黑工业大学、谷歌量子人工智能和诺丁汉大学的团队对谷歌的量子处理器进行了编程，以模拟量子物质的这种二维态。谷歌团队的科学家Kevin Satzinger说：“谷歌的Sycamore量子处理器可以被精确控制，并且它是一个环境隔离的很好的量子系统，这是执行量子计算的关键要求。”

研究人员提出了一种量子算法来实现一种具有拓扑顺序的状态，通过模拟任意子激发的产生并将它们相互扭曲来证实这一点。远程量子纠缠的特征可以在他们的研究中得到证实。作为一种可能的应用，这种拓扑有序态可以通过实现新的纠错方式来改进量子计算机。在他们的工作中已经实现了朝着这个目标迈出的第一步。

慕尼黑工业大学的Frank Pollmann教授说：“近期量子处理器将是探索奇异量子相物质物理学的理想平台……在不久的将来，量子处理器有望解决当前经典超级计算机无法解决的问题。”（编译:Qtech）