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研究背景

量子物理中，粒子的交换统计通常被分为两类：玻色子和费米子。玻色子在交换位置时波函数不发生变化，而费米子在交换位置时会引入一个π相位。玻色子倾向于占据相同的量子态，这一特性在玻色-爱因斯坦凝聚体和激光中得到了广泛应用，而费米子则遵循泡利不相容原理，通常表现为粒子占据不同的量子态。随着维度的降低，尤其在二维空间中，粒子交换路径的拓扑特性变得更加复杂，允许交换相位介于玻色子和费米子之间，从而产生了“任意子”（anyon）这一新型粒子。任意子具有非常规的交换统计，能够在交换过程中获得任何相位θ，从而在量子计算和拓扑物态等领域展现出独特的应用潜力。然而，关于一维任意子的研究相对较少，尽管已有部分理论提出其可能的存在，并在不同的量子系统中获得了部分实验验证。

成果简介

有鉴于此，哈佛大学Markus Greiner教授团队在《Science》上发表题为“Realization of one-dimensional anyons with arbitrary statistical phase”的最新论文。该团队设计并制备了一种基于超冷原子的光学晶格系统，通过精确调控量子气显微镜，成功实现了一维阿贝尔任意子，且能够调节其统计相位θ。通过工程化的密度依赖佩尔尔斯相位模型（AHM），该团队研究了两粒子量子行走的动态行为，并观察到了任意的Hanbury Brown–Twiss效应，进一步验证了该系统中的任意统计行为。

利用这一系统，研究人员能够实现粒子在量子行走过程中穿越不同的路径并获得相应的几何相位θ，类似于二维中任意子的交换行为。这项研究不仅成功展示了任意子在一维系统中的实现，还通过引入相互作用，观察到了不同于玻色子和费米子的空间不对称输运行为，进一步加深了对一维任意子物理性质的理解。

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值得注意的是，2024年5月8日，哈佛大学物理系Markus Greiner教授（2011年麦克阿瑟天才奖得主）团队在Nature期刊发表题为“Observation of Nagaoka polarons in a Fermi–Hubbard quantum simulator”的研究论文。

研究亮点

1. 本文首次通过超冷87Rb原子在光学晶格中实现了1D阿贝尔任何子（Abelian anyons），利用量子气体显微镜对其进行精确控制。通过密度依赖的Peierls相位工程，研究人员能够调节交换相位（θ），从而实现具有任意统计相位的1D任何子系统。这为研究1D任何子的动态行为和分数统计提供了实验基础。

2. 研究团队通过引入本征相互作用，观察到两任何子在量子走动过程中的不对称输运行为。通过调节交换相位θ，发现当θ为负时，输运方向向右；当θ为正时，输运方向向左，这与费米子和玻色子不同，揭示了任何子的独特输运性质。此外，实验还展示了在没有本征相互作用的情况下，任何子形成束缚态的现象，这一现象源于密度依赖的Peierls相位。

3. 实验结果与理论预期一致，证实了密度依赖相位对于实现1D任何子的作用，展示了该系统在不同相互作用强度下的多种输运行为。通过该三频Floquet方案，研究人员能够控制哈伯德模型中的关键参数（J、U和θ），为未来更大规模和更复杂的多体任何子系统研究奠定了基础。

图文解读

图1. 在一维空间中，任意子的实现。

图2. 两个任意子的量子行走，U=0。

图3: Fock态演化的干涉图像。

图4. 表征任意子的束缚对，U=0。

图5. 由于现场相互作用U的存在，而导致了不对称输运。

结论展望

本文通过工程化密度依赖的Peierls相位，研究人员成功构建了具有可调交换相位的1D系统，并通过量子漫步实验揭示了分数统计效应。这一工作不仅验证了在没有本征相互作用的情况下形成束缚态的可能性，还表明引入本征相互作用后，密度依赖相位与相互作用之间的相互作用能显著破坏反演对称性，体现出1D任何子的独特性质。研究进一步展示了Floquet工程的强大能力，使得通过独立调节J、U和θ，可以精准控制1D系统的统计性质，为实现更复杂的多体效应和新奇量子相提供了理论基础。

此外，本文的实验方法为未来研究1D任何子多体行为和拓扑量子计算提供了新工具，尤其是使用超冷原子模拟非阿贝尔任何子，这为量子信息处理和量子计算的拓扑保护提供了新的研究方向。未来，随着系统规模的扩大和调控精度的提高，1D任何子的研究有望推动量子物理学和量子技术领域的进一步发展。

文献信息

Joyce Kwan et al. ,Realization of one-dimensional anyons with arbitrary statistical phase.

原创文章，作者：zhan1，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2024/12/06/db4c1101b4/

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