這種準粒子“長生不老”，有望提升量子計算機性能

圖片來源：K. Verresen /慕尼黑工業大學

在一項近期發表於《自然·物理學》的研究中，德國馬克斯普朗克研究所的魯本·費雷森（Ruben Verresen）與合作者報導了一種可以不斷衰變隨後又“重生”的準粒子。這種長生不老的現象，是如何發生的？

撰文 | 張華

“強大的量子相互作用可以阻止準粒子的衰變！”論文的共同作者、慕尼黑大學理論固體物理學教授弗蘭克·波爾曼（Frank Pollman）解釋說。

準粒子是什麽？

“準粒子”這個概念由蘇聯著名物理學家朗道在費米液體理論中首先引入。所謂的準粒子其實不是一種真實的粒子，它可以被看成一種由大量電子相互作用產生的集體激發現象。

準粒子不像電子這種真粒子那樣能在真空中存在。它是在凝聚態物質中才能存在的“粒子”。這就如同聲音不能脫離空氣介質而存在。也就是說，準粒子是在凝聚態物質中，電子之間因為電磁相互作用而具有的性質，這是一種粒子激發態。準粒子的物理本質，其實是一種量子相乾疊加。

比如，在晶體中，電子相互作用引發的晶格振動，可以產生一種叫做“聲子”的準粒子。聲子作為一種準粒子，它也能體現出“粒子性”——它具有動量和能量。聲子對應的是聲波的基本粒子單元（這是波粒二象性，波的量子化會產生粒子），每一個聲子對應一種振動模式。另一種典型的準粒子名為“磁子”。電子自旋之間相互作用會產生一種自旋波，自旋波所對應的準粒子就是磁子。

總之，包括聲子和磁子在內，準粒子一共有10多種。只要一個物理系統中的電子之間存在複雜的電磁相互作用，那麽一旦把這個物理系統看成是一系列獨立的“準粒子”的集合，我們就可以忽略電子間的相互作用。在這個等效處理中，準粒子的質量就不再是電子的質量，而是一種等效質量。

準粒子為什麽會衰變？

在費雷森等人的研究中，他們通過計算機模擬了一種磁子。這種磁子有一種令人稱奇的特徵：它們能在衰變與重生之間往複，形成一種“長生不老”的現象。這具有重要的物理意義，因為大多數準粒子都不能長生不老，而是會衰變的。

為什麽大多數的準粒子都會衰變呢？

從物理上來說，準粒子其實是多個電子的一種集體激發——就好像辦公室裡可以激發出辦公室政治或者辦公室愛情一樣，只有多人存在於同一個房間才能出現這種現象；如果只有一個人，則不可以，因為一個人不能與自己爭權奪利，也不能與自己談戀愛。

準粒子往往是不穩定的，這種不穩定被稱為“衰變”。準粒子衰變的主要原因就是溫度。前面說到，準粒子其實是一種量子相乾疊加，這是一種對溫度十分敏感的現象。在實際的物理系統中，溫度高於絕對零度，所以準粒子會因為量子的退相乾而衰變。物理系統的溫度越高，就越難觀測到準粒子。

從這個意義上來說，溫度象徵著熱力學第二定律，它給出了熵增加的方向，也就是讓物理系統的混亂程度增加。對於準粒子來說，溫度就是衰變發生的原因。

當然，實際上還有其他的干擾因素會破壞準粒子，比如說振動——如果一個物理實驗中觀測到了準粒子，但在這個過程中實驗平台發生振動，準粒子也可能因此而消失。

“長生不老”的準粒子

在最新研究中，費雷森等人考慮的是一組具有海森堡反鐵磁性的電子。所謂海森堡反鐵磁性，是指一群電子整齊排列在一起，但相鄰電子的自旋方向是相反的——如同一群小學生排隊做早操，奇數位置是男生，偶數位置是女生，交替排列。在這樣的系統中，所有的自旋相互作用會激發出磁子。但是，因為自旋與自旋的相互作用是一種磁偶極相互作用，這種相互作用的能標很低，一旦溫度升高，這個系統就會被破壞。

根據新研究中的模擬，這些磁子確實會衰變，但與此同時，等量的新磁子又會涅槃重生。為什麽會發生這種現象呢？費雷森等人認為，當材料晶格常數比較小的時候，電子之間的距離很近，電子與電子之間的波函數重疊度較高，這時“電子之間很強的相互作用”使得準粒子能夠重生。

這個發現可以解釋之前的物理實驗。在之前的實驗中，物理學家發現磁性化合物Ba3CoSb2O9非常穩定，當時科學家無法解釋它的穩定性。而根據費雷森提出的“長生不老”的準粒子理論，Ba3CoSb2O9看起來可能包含這種“長生不老”的磁性準粒子——不過目前這還只是猜測，需要進一步的研究得出答案。

這種準粒子可能在量子計算機的建造中發揮作用，因為它可以幫助量子計算系統維持持久的存儲數據能力。2015年，科學家曾發現，可用於量子計算存儲的稀土離子摻雜晶體的量子相乾自旋態壽命長達6小時，這是當時量子系統相乾壽命的最高水準。而目前這種“長生不老”的準粒子，其量子存儲的壽命遠遠超過了6小時。所以，儘管目前還僅僅處在理論階段，以後也許可以看到這種準粒子被用於量子計算機。