物理学家首次在量子设备中证明了非阿贝尔任意子的存在

拓扑序是一种物质的状态，它的性质不依赖于物质的形状或大小，而只取决于它的拓扑结构。拓扑结构是一种几何概念，它描述了一个物体的连通性和孔洞的数目，比如一个圆环和一个咖啡杯是拓扑等价的，因为它们都有一个孔洞。拓扑序的物质有一些非常奇特的性质，比如它们的边缘可以导电，而内部不导电。

拓扑序的物质中还有一种更加神奇的现象，就是它们的激发态，也就是物质中的局域化的能量。这些激发态被称为任意子，因为它们的统计性质不同于我们熟悉的玻色子和费米子。玻色子和费米子是我们常见的粒子，它们遵循玻色-爱因斯坦统计和费米-狄拉克统计，这意味着，如果你交换两个玻色子或两个费米子的位置，那么整个系统的波函数要么不变，要么改变一个负号。但是，如果你交换两个任意子的位置，那么整个系统的波函数可能会改变一个相位因子，或者更一般地，改变一个矩阵作用在任意子的内部空间上。这就是所谓的分数统计和非阿贝尔统计，它们是拓扑序的物质的特征。

任意子的统计性质有一个非常有趣的后果，就是它们的交换可以用来进行量子计算。量子计算是一种利用量子力学的原理来加速某些难以用经典计算机解决的问题的计算模型。量子计算的优势来自于量子比特可以同时表示多个经典比特的信息，以及量子比特之间可以存在量子纠缠，这是一种超越经典物理的关联。量子计算的难点在于如何实现对量子比特的精确控制和测量，以及如何保护量子比特免受环境的干扰，这就是所谓的量子错误纠正。

任意子可以用来构造量子比特，因为它们的内部空间可以编码0和1的信息，而且它们的交换可以实现量子逻辑门，这是量子计算的基本操作。更重要的是，任意子的交换是一种拓扑操作，它只取决于任意子的路径的拓扑性质，而不是具体的细节，这意味着，任意子的交换是一种鲁棒的操作，它不受局部的噪声和扰动的影响。这就是所谓的拓扑量子计算，它是一种基于拓扑序的物质的量子计算方案，它有望实现量子错误纠正的自动化，从而大大提高量子计算的可靠性和效率。

拓扑量子计算的概念已经提出了几十年，但是要实现它还面临着巨大的挑战。首先，我们需要找到一种拓扑序的物质，它可以容易地制备和操纵，而且可以支持非阿贝尔的任意子，这是一种比阿贝尔的任意子更复杂的任意子，它的交换不仅可以改变相位，还可以改变任意子的内部空间的基。其次，我们需要找到一种方法，可以在拓扑序的物质中创建和移动任意子，以及测量它们的状态，这些都是量子计算所必需的操作。第三，我们需要找到一种方法，可以验证我们的系统是否真的具有拓扑序，以及我们的任意子是否真的具有非阿贝尔的统计性质，这些都是量子计算的正确性的保证。

最近，一篇发表在《自然》杂志上的论文，宣布了在这些方面的重大突破。这篇论文的作者是来自Quantinuum公司和哈佛大学的一群物理学家，他们利用了一种被称为离子阱的量子设备，实现了一种非阿贝尔的拓扑序，以及它的任意子的控制和检测。

在这篇论文中，作者使用了一个由27个钇离子组成的离子阱，通过激光将它们排列成一个三角形的网格，模拟了一个叫做kagome晶格的结构。他们在离子阱中制备了D4的拓扑序的基态，然后使用激光在离子阱的不同位置创建了任意子。他们使用激光来移动任意子，让它们绕着其他任意子转圈，然后使用交叉熵优化的方法来测量拓扑指数。他们发现，他们的测量结果和理论预期非常吻合，证明了他们成功地创建和控制了非阿贝尔的任意子。

这篇论文的意义是非常巨大的，它是第一次在实验上实现了非阿贝尔的拓扑序，以及它的任意子的控制和检测，它是拓扑量子计算的一个重要的里程碑，它展示了离子阱作为一种强大的量子模拟器和量子计算机的潜力，它也为未来的量子技术的发展和应用提供了新的可能性和方向。