MIT 物理學家展示了一種可能性，即創造一種可以操控的奇異物質形式，從而構建未來量子計算機的量子位元（qubit）基本模組。這些未來的量子計算機將比當前正在研發的量子計算機更強大。
這項研究基於去年發現的一類材料，這些材料中存在可以分裂為自身分數的電子，且重要的是，這一過程無需應用磁場。
電子分數化這一現象最早於 1982 年被發現，並因此獲得諾貝爾獎。然而，當時的研究需要應用磁場。而如今，無需磁場即可生成分數化電子的能力，不僅為基礎研究帶來了新的可能性，也使這些材料在應用中更具實用價值。
當電子分裂為自身的分數時，這些分數被稱為任意子（anyons）。任意子有多種型別或類別。2023 年發現的任意子被稱為阿貝爾任意子（Abelian anyons）。而現在，在 10 月 17 日的Physical Review Letters中，MIT 研究團隊指出，有可能創造最奇異的一類任意子——非阿貝爾任意子（non-Abelian anyons）。
“非阿貝爾任意子具有令人驚歎的能力，它們可以‘記住’自己的時空軌跡；這種記憶效應在量子計算中非常有用，”MIT 物理系教授、該研究的負責人 Liang Fu 表示。
Fu 進一步指出，“2023 年關於電子分數化的實驗結果遠遠超出了理論預期。我的感受是，理論學家應該更加大膽一些。”
Fu 教授同時隸屬於 MIT 材料研究實驗室。他的研究團隊成員包括MIT物理系的研究生 Aidan P. Reddy 和 Nisarga Paul，以及博士後 Ahmed Abouelkomsan。Reddy 和 Paul 是Physical Review Letters論文的共同第一作者。
這項研究以及兩項相關研究也被 Physics Magazine 在 10 月 17 日的報道中提及。Ryan Wilkinson 在文章中寫道：“如果這一預測得到實驗驗證，可能會導致更加可靠的量子計算機，這些計算機能夠執行更廣泛的任務……理論學家已經提出了一些方法，可以將非阿貝爾狀態轉化為可操作的量子位元，並操控這些狀態的激發以實現穩健的量子計算。”
當前的研究受到了二維材料（僅由一層或幾層原子組成的材料）領域最新進展的啟發。“整個二維材料的世界非常有趣，因為你可以堆疊它們、扭轉它們，像玩樂高一樣組合出各種具有獨特性質的層疊結構，”Paul 說。這些層疊結構被稱為莫爾材料（moiré materials）。
任意子只能形成於二維材料中。那麼，它們能否在莫爾材料中形成呢？2023 年的實驗首次顯示這是可能的。不久之後，由 MIT 物理系助理教授 Long Ju 領導的研究團隊報告了另一種莫爾材料中的任意子證據。（Fu 和 Reddy 也參與了 Ju 的研究。）
在目前的研究中，物理學家們證明，在由原子級薄層二碲化鉬組成的莫爾材料中，有可能生成非阿貝爾任意子。Paul 表示，“近年來，莫爾材料已經展現出許多迷人的物質相位，而我們的研究表明，非阿貝爾相位也可以被加入到這個列表中。”
Reddy 補充道，“我們的研究表明，當電子以每個晶胞 3/2 或 5/2 的密度新增時，它們可以組織成一種令人著迷的量子態，這種量子態能夠容納非阿貝爾任意子。”
Reddy 表示，這項工作令人興奮，部分原因在於“通常在解讀實驗結果時會有微妙之處，這些結果究竟說明了什麼，需要深入思考。所以思考我們支援非阿貝爾任意子的論點是很有趣的。”
Paul 說，“這個專案涵蓋了非常具體的數值計算和非常抽象的理論，並將兩者聯絡起來。我從我的合作者那裡學到了很多有趣的主題。”
這項研究得到了美國空軍科學研究辦公室的資助。作者還感謝 MIT SuperCloud 和林肯實驗室超級計算中心、卡夫利理論物理研究所、Knut 和 Alice Wallenberg 基金會以及西蒙斯基金會的支援。
https://news.mit.edu/2024/physicists-predict-exotic-form-matter-1118
