量子位是量子計(jì)算中用來(lái)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(rèn)為，拓?fù)淞孔游辉赡苁峭苿?dòng)量子計(jì)算向前發(fā)展的最佳媒介。一些研究人員認(rèn)為拓?fù)淞孔颖容^強(qiáng)，對(duì)環(huán)境噪聲的影響也更小。量子物理學(xué)研究的是基本粒子如何相互作用，有時(shí)會(huì)聚集在一起形成新的準(zhǔn)粒子。

準(zhǔn)粒子出現(xiàn)在奇特的理論模型中，但通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察和測(cè)量它們一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。隨著一種可以使研究人員探測(cè)準(zhǔn)粒子干涉的新設(shè)備問(wèn)世，我們可能又向前邁進(jìn)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(guò)讓這些粒子相互干涉來(lái)探測(cè)它們

博科園-科學(xué)科普：人們嘗試這么做已經(jīng)很長(zhǎng)時(shí)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(tuán)隊(duì)使用晶體生長(zhǎng)技術(shù)，一個(gè)原子層一個(gè)原子層地構(gòu)建微小的器件，這種技術(shù)被稱(chēng)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(dòng)一樣，它們不能上下移動(dòng)。如果設(shè)備或“桌面”足夠干凈和光滑，那么主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的不是電子的個(gè)別行為，而是它們?nèi)绾蜗嗷プ饔?。為了將單個(gè)粒子的能量降到最低，曼夫拉團(tuán)隊(duì)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(chǎng)的作用，在這三個(gè)條件下：極端寒冷的溫度，限制在二維空間，暴露在磁場(chǎng)中，真正奇怪的物理現(xiàn)象開(kāi)始發(fā)生。物理學(xué)家稱(chēng)之為分?jǐn)?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(lái)像是攜帶了三分之一的電子電荷，研究人員認(rèn)為基本粒子要么是玻色子，要么是費(fèi)米子，這取決于粒子的自旋，但準(zhǔn)粒子在圍繞彼此演化時(shí)，其行為要復(fù)雜得多。確定這些狀態(tài)的電荷和統(tǒng)計(jì)性質(zhì)是量子物理學(xué)中一個(gè)長(zhǎng)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(tái)干涉儀：

這些發(fā)現(xiàn)為拓?fù)淞孔游坏陌l(fā)展鋪平了道路。圖片：Purdue University/James Nakamura

一種將兩個(gè)或多個(gè)準(zhǔn)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(jìn)池塘，它們的波在某一點(diǎn)相交，這就是它們產(chǎn)生干涉的地方，圖案就會(huì)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(gè)狹小的空間里，電子往往會(huì)相互排斥，所以將另一個(gè)電子放入空間需要額外的能量。這往往會(huì)擾亂干死效應(yīng)，使研究人員無(wú)法清楚地看到它們。普渡大學(xué)干涉儀克服了這一難題，在距離干涉準(zhǔn)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(mén)，有點(diǎn)像彈珠機(jī)。但不像彈珠，它在周?chē)靵y地散射，電子在這個(gè)設(shè)備遵循一個(gè)非常嚴(yán)格的模式。普渡大學(xué)(Purdue)博士生、論文第一作者詹姆斯·中村(James Nakamura)說(shuō)：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(dòng)，而不是通過(guò)樣本的中間，當(dāng)準(zhǔn)粒子穿過(guò)光束分離器時(shí)，它們?cè)诹孔恿W(xué)意義上被一分為二。這在兩個(gè)分光器上發(fā)生了兩次，干涉發(fā)生在兩個(gè)不同的路徑之間。

在這樣一個(gè)奇異的物理領(lǐng)域，研究人員很難知道他們認(rèn)為自己看到的是不是他們實(shí)際看到的。但這些結(jié)果表明，研究人員已首次目睹準(zhǔn)粒子的量子力學(xué)干涉。這個(gè)機(jī)制也可以幫助以后拓?fù)淞孔游坏陌l(fā)展。這是嘗試做更復(fù)雜實(shí)驗(yàn)的唯一可行平臺(tái)。在更復(fù)雜狀態(tài)下，這些實(shí)驗(yàn)可能是拓?fù)淞孔游坏幕A(chǔ)。研究人員已經(jīng)嘗試了一段時(shí)間，最終目標(biāo)是驗(yàn)證這些非常奇怪的屬性。還沒(méi)有完全做到這一點(diǎn)，但已經(jīng)證明這是最好的前進(jìn)方式。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來(lái)自: 普渡大學(xué)

參考期刊文獻(xiàn):《Nature Physics》

DOI: 10.1038/s41567-019-0441-8

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