近日，研究人员已经证明，一种名为“任意子”的奇特量子粒子不仅存在于二维空间，还可以在一维空间中被创造出来。这种粒子的交换统计性质既不符合玻色子也不符合费米子的规则，而是表现出独特的分数统计特性。进一步探索不同类型的一维任意子，可能会使科学家们更接近于将这些粒子作为量子计算机的基本存储单元。
哈佛大学的科学家Joyce Kwan和Markus Greiner领导的研究团队，联合美国国家标准与技术研究院（NIST）的理论物理学家Alexey Gorshkov，于2024年11月29日在《Science》期刊上发表了这一发现（DOI: 10.1126/science.adi3252）。该团队利用光晶格中的超冷原子，通过密度依赖的皮尔斯相位工程，成功实现了一维任意子，并观察到了其独特的量子行为。
任意子的存在早在四十年前就被预言，但直到2020年才被实验发现，它们是量子粒子中的“异类”。尽管所有基本粒子都属于两大类——玻色子和费米子，但任意子的行为却不符合这两类粒子的任何一种分类。
费米子包括电子、质子和中子，它们遵循一条统计规则：如果两个相同的费米子交换位置，描述它们的波函数会发生反转，即旋转180度，波的波峰变为波谷，波谷变为波峰。这也意味着两个相同的费米子不能同时占据同一个量子态。
相比之下，包括光子在内的玻色子遵循另一条规则。当两个相同的玻色子交换位置时，它们的波函数不会发生旋转，保持原样不变。这使得玻色子可以聚集在一起，占据相同的量子态。
然而，任意子却不遵循这两类粒子的任何一种规则。当两个任意子交换位置时，它们的波函数相位会发生分数级的旋转，而旋转的角度则取决于任意子的类型。在二维空间中，这种奇特的行为以一种既奇特又重要的方式表现出来：当一个任意子围绕另一个任意子完整地转一圈时，它的波函数会保留这种运动的“记忆”。科学家们正在探索如何利用这种“记忆”来为量子计算机服务。
当哈佛大学的研究人员Kwan、Greiner及其同事们开始研究任意子时，他们部分是受到Gorshkov及其合作者在2018年发表的一篇期刊文章的启发，尝试在一维空间中产生任意子。该文章描述了一个关键测试，用以判断被限制在一维空间中的某些粒子是否能被视为任意子。
在Gorshkov参与分析的实验中，科学家们将铷-87原子冷却，并将它们困在一个光学晶格中——这是一个由激光干涉产生的光强起伏的阵列，包含光强的峰和谷。铷原子倾向于停留在这些谷中。
像所有原子一样，被困的铷原子最初表现得像玻色子，而不是任意子。然而，当研究人员操纵这些原子，通过打开磁场并改变激光的强度和频率，促使它们从一个谷跳到下一个谷时，原子表现出了不同的行为。在这些条件下，研究团队发现，当两个铷原子交换位置时，它们的波函数会以分数级旋转——这是任意子的典型特征。
Kwan表示，团队发现的这种一维任意子无法用于量子计算的存储。但其他研究人员正在发现一些线索，表明其他类型的一维任意子可能具有与二维任意子类似的性质，可用于量子存储。
