量子计算有妙用量子计算有什么用( 二 ) _小知识

在拓扑量子计算中，Kitaev还提出，当4个粒子产生四体相互作用时，它们的整体运动状态就可以描述成一种新型的虚拟粒子。这种虚拟粒子就像海浪一样，是多个粒子一起协同运动时的整体效果。它看起来像一个粒子，但又不是真实存在的粒子，所以，物理学家管它叫准粒子。

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每个粒子都在原地运动
其整体效果像是掀起了向前传播的海浪
所以，海浪可以比作一种“准粒子”
而且，这种准粒子可不是一般的准粒子，它们还有一种不正常的统计特性。为了搞清楚什么叫不正常，让我们先看一下什么叫正常：如果一个正常的粒子，绕着另一个正常的粒子转一圈，整个系统不会发生任何变化。

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但同样的事情遇上这种不正常的准粒子，就变得麻烦N倍：一个不正常的粒子，必须绕着另外一个不正常的粒子转N圈，整个系统才会回到最初的模样。

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这就好比把一个正常的粒子的统计特性平均分成了N份，不正常的粒子转N圈，才相当于正常的粒子转一圈。

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实际上，这个N既可以等于2，3，4，5等整数，也可以等于-1.42857，3.1415926，6.02×1023等任意实数。所以，这样的粒子叫作任意子。

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在Kitaev模型提出20年后，中国物理学家终于在这次的超冷铷原子实验中，第一次观察到了他预言的任意子的统计现象（这次实验中的N=2），给出了这种准粒子统计特性的最直接的实验证明，为研究这种准粒子的拓扑性质提供了新的实验平台和手段。
这次实验的论文发表在了《自然?物理学》杂志上。

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Kitaev理论还有很多有待实现的设想。比如，在他的甜甜圈模型里，任意子可以用来进行“量子纠错” 。也就是说，就算拓扑量子计算机算到一半儿出错了，也没有关系，最后我们还能纠正过来。于是，物理学家还需要进一步完善实验方案，才能在将来完整地实现的全部设想（详情见结尾的注释），最终让拓扑量子计算变成现实。

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注：
1. Kitaev拓扑量子计算模型叫作toric code模型，其中的toric就是甜甜圈的意思。它的一个典型特征是，由于四体相互作用，粒子构成的二维阵列形成了4个能量最低的整体状态（基态）。要想从这4个状态出发，将粒子阵列整体激发到别的状态（激发态），就需要较高的能量。
2. 这就好比修了一幢大楼，一楼有4个房间（用于量子计算），二楼的高度相当于其他大楼的100楼（二楼相当于量子计算出错的状态）。如果你让粒子构成的整体状态待在一楼做量子计算，就算有人带着能量来打扰，它们也不容易随随便便就跑到二楼（相当于其他大楼的100楼的高度）去。
3. 这种在一般的干扰下保持不变的特性，有点儿像在拓扑学中，一个物体外形的连续变化不会影响它本身有几个洞。所以，这种量子计算就叫做拓扑量子计算。拓扑二字在这里是一种比喻。
4. Kitaev模型的相互作用包含两部分，一是四个原子自旋角动量在x方向的四体相互作用，二是它们在z方向的四体相互作用。本文介绍的实验实现的是x方向的四体相互作用。这是由实验设计的数学细节决定的。要想同时实现两种四体相互作用，可能还要重新设计新的实验。
5. 为啥漫画里打麻将的4个原子被绑在椅子上，周围还有墙呢？这是为了阻止它们随便“互换座位”，也就是不得发生“两体相互作用” 。Kitaev模型中原子的实际的情况也是这样的，如下图：

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6. 任意子不可能存在于三维空间中，它只可能存在于二维平面，或者原子排列成的甜甜圈的二维表面上。这就好比动物只能活在三维空间中，不可能活在二维空间中，如下图。

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7. 任意子的不正常性质，可以帮助拓扑量子计算拥有“量子纠错”的神奇能力。不过，量子纠错涉及太多的工程细节和数学公式，我们这次就不展开讲啦。

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