兩個實驗室獨立測量稀有量子態中的四分之一電子電荷

電子無法被分割成更小的帶電部分。然而，在極端條件下，電子可以集體行為並產生只攜帶部分電子電荷的準粒子。現在，兩個獨立的實驗測量了同樣的分數電荷，這一特別的量子態結果，加強了對研究它是否能夠容納可能有助於建立更穩健的量子電腦的奇異粒子的興趣。「這是該領域歷史上第一次，兩個不同的團隊（魏茲曼科學研究所和瑞士洛桑聯邦理工學院）測量到了相同的分數電荷值。」研究作者之一、瑞士洛桑聯邦理工學院的教授米塔利·班納吉表示。

ν = 1/2的分數量子霍爾態

研究人員專注於ν = 1/2 的分數量子霍爾態，這是一種偶數分母的狀態，並不完全符合更為知名的分數量子霍爾態的層級結構。這些狀態特別有趣，因為一些理論預測它們可以容納非阿貝爾任意子——其量子特性取決於它們的排列方式及相互移動。「非阿貝爾狀態像是結構藍圖，資訊儲存在整體幾何中，而不是單一點上，確保對局部結構缺陷或噪聲的免疫。通過簡單地移動這些粒子，我們可以創造無錯誤的量子電腦。」

班納吉說。

然而，測量準粒子的電荷只是解開這個謎題的一部分。僅僅知道分數電荷無法確定底層狀態是否實際上是非阿貝爾的。研究人員研究了被限制在 70 紐米寬的砷化鎵層中的電子。該材料被冷卻到極低的溫度，並置於強磁場下，迫使電子進入集體量子狀態。關鍵測試在兩個名義上相同的裝置上獨立進行，一個在瑞士洛桑聯邦理工學院，另一個在魏茲曼科學研究所，使用不同的實驗設置。這兩個裝置都包含一個稱為量子點接觸（QPC）的微小瓶頸。

研究人員以弱反向散射模式操作 QPC，允許大多數準粒子通過，同時隨機偏轉一小部分。這種隨機性產生了稱為噪聲脈衝的微弱電信號。可以想像，雨水隨機地落在屋頂上，即使平均降雨量穩定，單個雨滴卻在不可預測的時間到達。同樣，穿過 QPC 的電荷載體也是隨機到達的。測量結果的波動允許研究人員確定每個準粒子所攜帶的電荷量。研究人員使用獨特的刻蝕方法創建了 QPC，然後在收縮周圍沉積金屬閘，以控制通過的電流量。

在檢查神秘的ν = 1/2 狀態之前，他們首先檢查了已知的分數量子霍爾狀態，這些狀態攜帶 e 和 2e/3 的電荷。「我們的測量是在兩個名義上相同的裝置上進行的，且在兩個獨立的實驗設置中。」研究作者指出。

準粒子電荷測量結果

當他們轉向ν = 1/2 時，兩個獨立的實驗基本上產生了相同的結果。一個裝置測得準粒子電荷為 0.250 ± 0.013 e，另一個則測得 0.249 ± 0.018 e。這兩個測量結果均與 e/4（即一個電子的四分之一電荷）相符。這一結果具有重大意義，因為ν = 1/2 狀態異常穩定。其能量間隙約為廣泛研究的偶數分母狀態ν = 5/2 的十倍。它也穩定在最低的蘭道能級中，即在強磁場下可供電子使用的最低能量水平。

與此同時，最近觀察到的兩個女兒分數量子霍爾狀態為母狀態的非阿貝爾序提供了理論支持。

未來實驗的基準

班納吉表示：「這一點很重要，因為此處研究的量子霍爾狀態非常特殊，因為它在幾度開爾文時仍然存在，並且應該是砷化鎵中僅知的第二個擁有特殊非阿貝爾特性的狀態，最終能夠實現拓撲量子計算機。」然而，e/4 的測量並不證明非阿貝爾序。阿貝爾和非阿貝爾候選狀態均可產生具有 e/4 電荷的準粒子，因此僅僅依靠電荷測量無法區分它們。因此，研究人員將此結果視為未來實驗的基準，這些實驗將直接探測狀態的拓撲序和準粒子的交換統計。

這些實驗可以測試當準粒子交換或纏繞在一起時會發生什麼。如果最終確認了非阿貝爾統計，則ν = 1/2 狀態可能成為探索儲存在集體特性中的量子資訊而非個別粒子的關鍵平台。

項目	規格
分數電荷	0.250 ± 0.013 e / 0.249 ± 0.018 e
研究材料	砷化鎵
量子態	ν = 1/2

ν = 1/2狀態對量子計算的潛在影響

ν = 1/2狀態的穩定性和特殊性使其成為量子計算研究中的重要焦點。由於其能量間隙較大，這種狀態可能為拓撲量子計算提供理論基礎。儘管目前的測量結果無法區分阿貝爾和非阿貝爾狀態，但未來的實驗將有助於深入理解這些準粒子的性質，進而推進量子資訊的儲存和處理技術。這些研究不僅增強了對量子態的認識，亦可能促進量子電腦的發展。