2026物理學(xué)第一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)：粒子系統(tǒng)能記住量子態(tài)

2026年1月，魏茨曼科學(xué)研究所在《自然》雜志上發(fā)了一篇論文。

他們找到了一種粒子，這種粒子能"記住"自己之前的狀態(tài)。

不是用硬盤(pán)，不是用存儲(chǔ)器，是粒子本身在記憶。

如果這是真的，量子計(jì)算機(jī)的最大障礙可能有解了。

一

量子計(jì)算機(jī)是全人類(lèi)的下一個(gè)技術(shù)圣杯。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)用0和1存儲(chǔ)信息，一個(gè)比特要么是0，要么是1。

量子計(jì)算機(jī)用的是"量子比特"，可以同時(shí)是0和1。正因?yàn)檫@個(gè)特性，量子計(jì)算機(jī)處理某些問(wèn)題的速度可以達(dá)到傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的指數(shù)級(jí)倍數(shù)。

預(yù)測(cè)化學(xué)反應(yīng)、破解密碼、模擬分子結(jié)構(gòu)、優(yōu)化物流路線(xiàn)、天氣預(yù)報(bào)，這些對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)極其困難的問(wèn)題，量子計(jì)算機(jī)理論上都能輕松搞定。

但有個(gè)致命問(wèn)題。

量子態(tài)極其脆弱。

任何環(huán)境干擾，溫度波動(dòng)、電磁場(chǎng)、甚至宇宙射線(xiàn)，都會(huì)讓量子態(tài)坍縮，信息瞬間丟失。這叫"退相干"。

就像你在水面上寫(xiě)字，剛寫(xiě)完，波紋就把字抹掉了。

現(xiàn)在的量子計(jì)算機(jī)必須在接近絕對(duì)零度的環(huán)境里運(yùn)行，必須嚴(yán)格屏蔽外界干擾。即便如此，量子態(tài)也只能維持幾毫秒到幾秒。

計(jì)算還沒(méi)做完，信息就沒(méi)了。

這就是為什么，盡管谷歌、IBM、中國(guó)的研究機(jī)構(gòu)都造出了量子計(jì)算機(jī)，但它們依然只能做些非常窄的研究應(yīng)用，無(wú)法真正投入使用。

要讓量子計(jì)算機(jī)真正有用，必須解決一個(gè)問(wèn)題：容錯(cuò)。

信息不能丟。

二

物理學(xué)家想了很多辦法。

其中一個(gè)方向叫"拓?fù)淞孔佑?jì)算"。

這個(gè)詞聽(tīng)起來(lái)很學(xué)術(shù)，但道理很簡(jiǎn)單：與其把信息存在單個(gè)粒子上，不如存在整個(gè)系統(tǒng)的"形狀"上。

你拿一根繩子打個(gè)結(jié)。這個(gè)結(jié)的形狀不會(huì)因?yàn)槟爿p輕拉扯繩子就消失，除非你徹底解開(kāi)它。

這就是"拓?fù)?性質(zhì)。某些信息被編碼在系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)里，局部的擾動(dòng)不會(huì)破壞它。

而實(shí)現(xiàn)這種拓?fù)淞孔佑?jì)算，需要一種特殊的粒子。

"非阿貝爾任意子"。

三

任意子是一種很奇怪的粒子。

在量子力學(xué)里，粒子既是粒子也是波。每個(gè)粒子都有一個(gè)"波函數(shù)"，描述它的狀態(tài)。

物理學(xué)家根據(jù)兩個(gè)相同粒子交換位置時(shí)波函數(shù)如何變化，把粒子分成兩類(lèi)：

玻色子，比如光子，交換位置后波函數(shù)不變。

費(fèi)米子，比如電子，交換位置后波函數(shù)翻轉(zhuǎn)180度。

這是從20世紀(jì)初到1980年代的共識(shí)。

但1982年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了第三種可能。

在極端條件下，接近絕對(duì)零度、強(qiáng)磁場(chǎng)、二維材料，電子不再表現(xiàn)得像完整的粒子，而是分裂成"分?jǐn)?shù)電子"。

這些分?jǐn)?shù)電子交換位置時(shí)，波函數(shù)可以旋轉(zhuǎn)任意角度，從0度到180度之間的任何值。

所以它們叫"任意子"，來(lái)自"任意"這個(gè)詞。

但任意子又分兩種。

"阿貝爾任意子"，交換位置只改變波函數(shù)的相位。

"非阿貝爾任意子"，交換位置不僅改變相位，還改變波函數(shù)的形狀。

關(guān)鍵在這里。

四

魏茨曼研究所的尤瓦爾·羅寧博士解釋得很清楚：

"在非阿貝爾任意子中，交換位置會(huì)在波函數(shù)的形狀上留下印記。如果我們有三個(gè)非阿貝爾任意子，先交換第一個(gè)和第二個(gè)，再交換第二個(gè)和第三個(gè)，得到的波函數(shù)形狀會(huì)跟我們用另一個(gè)順序交換時(shí)完全不同。這提供了一種編碼和存儲(chǔ)信息的方式。"

你理解這意味著什么嗎？

在普通的量子計(jì)算機(jī)里，量子比特是單個(gè)粒子，容易受環(huán)境噪聲影響。

在非阿貝爾任意子系統(tǒng)里，信息不存在局部，而是存在整個(gè)系統(tǒng)的波函數(shù)里。

你交換粒子的順序就是在"編程"。

交換順序不同，系統(tǒng)的波函數(shù)就不同，信息就不同。

而且這個(gè)信息不會(huì)因?yàn)榫植繑_動(dòng)就消失，只要你沒(méi)有徹底打亂整個(gè)系統(tǒng)，信息就還在。

這就是"拓?fù)浔Ｗo(hù)"。

羅寧說(shuō)："這種系統(tǒng)的本質(zhì)屬性在這個(gè)層面上得到保護(hù)，對(duì)局部擾動(dòng)具有韌性。這種系統(tǒng)被稱(chēng)為拓?fù)湎到y(tǒng)，它們提供了實(shí)現(xiàn)可靠量子計(jì)算的最有前景的路線(xiàn)之一。"

聽(tīng)起來(lái)完美。

但有個(gè)問(wèn)題。

非阿貝爾任意子從來(lái)沒(méi)有被直接觀測(cè)到過(guò)。

五

理論上，非阿貝爾任意子應(yīng)該存在。

1980年代，物理學(xué)家就預(yù)言了它們的存在。

但證明它們存在極其困難。

首先你需要極端條件：接近絕對(duì)零度的溫度、強(qiáng)磁場(chǎng)、二維材料。

其次你需要精確控制這些粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡。

最后你需要測(cè)量它們的波函數(shù)如何隨交換順序變化。

這三個(gè)條件每一個(gè)都很難。

過(guò)去幾十年，科學(xué)家成功測(cè)量到了"阿貝爾任意子"，那種交換位置只改變相位的任意子。

但非阿貝爾任意子一直是個(gè)理論預(yù)言。

直到現(xiàn)在。

六

魏茨曼研究所的這個(gè)實(shí)驗(yàn)用的材料叫"雙層石墨烯"。

石墨烯你可能聽(tīng)說(shuō)過(guò)，是單層碳原子排列成的蜂窩狀晶體，只有一個(gè)原子那么厚。雙層石墨烯就是兩層石墨烯疊在一起。

這個(gè)材料很特殊。在極低溫度和強(qiáng)磁場(chǎng)下，它的電子行為非常奇特，理論上可以產(chǎn)生非阿貝爾任意子。

而且科學(xué)家可以精確控制這些任意子的運(yùn)動(dòng)路徑。

實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)很巧妙。

他們借鑒了一個(gè)19世紀(jì)的光學(xué)實(shí)驗(yàn)：把一束光困在兩面鏡子之間，讓它反復(fù)反射。每次反射，光的波函數(shù)會(huì)旋轉(zhuǎn)一定角度。如果反射回來(lái)的波跟原來(lái)的波不同步，它們會(huì)相互抵消，光就變?nèi)酢＝?jīng)過(guò)多次反射后，波函數(shù)轉(zhuǎn)了一圈回到原來(lái)的相位，波就同步了，光就變強(qiáng)。這會(huì)產(chǎn)生明暗交替的干涉條紋。

在量子版本的實(shí)驗(yàn)里，研究人員讓一個(gè)任意子的波沿著環(huán)形路徑運(yùn)動(dòng)，繞過(guò)一個(gè)包含其他任意子和磁場(chǎng)的"島嶼"，然后回來(lái)跟原來(lái)的波相遇。

他們首先測(cè)量磁場(chǎng)如何影響這個(gè)繞行任意子的相位。

每繞一圈，返回的波的相位都會(huì)在磁場(chǎng)影響下改變。當(dāng)它跟原來(lái)的波相遇時(shí)要么相互抵消，要么相互增強(qiáng)。這產(chǎn)生了干涉圖案，但這里的圖案不是明暗條紋，而是高低電阻交替的條紋。

從這個(gè)干涉圖案可以推斷出繞行任意子的性質(zhì)。

羅寧說(shuō)："在我們的實(shí)驗(yàn)中，我們成功測(cè)量到了一個(gè)帶偶數(shù)分母的分?jǐn)?shù)電子。與普遍假設(shè)非阿貝爾任意子攜帶四分之一電子電荷不同，我們驚訝地發(fā)現(xiàn)繞島運(yùn)動(dòng)的波對(duì)應(yīng)的是半個(gè)電子。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，我們估計(jì)這是因?yàn)閮蓚€(gè)非阿貝爾任意子在一起繞島運(yùn)行，盡管我們還沒(méi)能把它們分開(kāi)。但這已經(jīng)是朝著直接識(shí)別和測(cè)量非阿貝爾任意子邁出的重要一步。"

七

然后他們做了第二個(gè)實(shí)驗(yàn)。

通過(guò)改變島嶼內(nèi)部的電子密度，觀察這如何影響繞行任意子的波函數(shù)，進(jìn)而影響干涉圖案，他們可以推斷出島嶼內(nèi)部粒子的性質(zhì)。

干涉圖案斜率的變化表明，內(nèi)部粒子攜帶四分之一電子的電荷。

正如非阿貝爾任意子理論所預(yù)測(cè)的那樣。

這與魏茨曼研究所莫蒂·黑布盧姆教授實(shí)驗(yàn)室之前的隧穿實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

羅寧總結(jié)說(shuō)："我們已經(jīng)證明，雙層石墨烯幾乎肯定存在非阿貝爾任意子。下一步是直接觀察非阿貝爾任意子系統(tǒng)的'記憶'，換句話(huà)說(shuō)，測(cè)量每種粒子交換順序如何在波函數(shù)中留下獨(dú)特的印記。"

這就是關(guān)鍵。

如果能證明交換順序確實(shí)會(huì)改變波函數(shù)的形狀，如果能證明這個(gè)形狀變化可以被讀取和控制，那就意味著信息可以被編碼在粒子交換的順序里。

這個(gè)信息不會(huì)因?yàn)榄h(huán)境擾動(dòng)而丟失。

容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)就有了物理基礎(chǔ)。

八

羅寧說(shuō)："今天的量子計(jì)算機(jī)仍然局限于狹窄的研究應(yīng)用，要真正有用它們必須可靠。我們的研究讓科學(xué)家離開(kāi)發(fā)容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)更近了一步。"

這不是夸張。

從谷歌宣布"量子霸權(quán)"到現(xiàn)在已經(jīng)過(guò)去了好幾年，量子計(jì)算機(jī)依然是實(shí)驗(yàn)室里的玩具。

原因就是容錯(cuò)太難。

IBM的量子計(jì)算機(jī)有上百個(gè)量子比特，但錯(cuò)誤率高得嚇人。中國(guó)的"祖沖之號(hào)"、"九章"在特定問(wèn)題上展現(xiàn)了量子優(yōu)勢(shì)，但也無(wú)法處理復(fù)雜的通用計(jì)算。

所有人都在等一個(gè)突破。

拓?fù)淞孔佑?jì)算被認(rèn)為是最有希望的方向。

微軟從2000年代就開(kāi)始投資拓?fù)淞孔佑?jì)算，但進(jìn)展緩慢，因?yàn)檎也坏椒前⒇悹柸我庾印?/p>

現(xiàn)在魏茨曼研究所說(shuō)：我們找到了。

九

當(dāng)然這還不是終點(diǎn)。

他們還沒(méi)有直接分離出單個(gè)非阿貝爾任意子，還沒(méi)有直接測(cè)量交換順序如何改變波函數(shù)形狀。

但他們證明了：雙層石墨烯這個(gè)材料確實(shí)可以產(chǎn)生非阿貝爾任意子。

這個(gè)材料是穩(wěn)定的，可控的，可以被精確操縱。

羅寧的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正在做下一步實(shí)驗(yàn)：分離單個(gè)非阿貝爾任意子，直接測(cè)量它們的"記憶"。

如果成功了，那就不只是一篇《自然》論文的事。

那將是量子計(jì)算歷史上的里程碑。

十

物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼在1981年說(shuō)過(guò)，要模擬量子系統(tǒng)你需要量子計(jì)算機(jī)，因?yàn)榱孔邮澜缣珡?fù)雜，經(jīng)典計(jì)算機(jī)算不過(guò)來(lái)。

但量子計(jì)算機(jī)本身又太脆弱，信息說(shuō)丟就丟。

這個(gè)悖論困擾了物理學(xué)家40多年。

現(xiàn)在一種會(huì)"記憶"的粒子可能提供了答案。

信息不存在單個(gè)粒子上，而存在粒子交換的順序里。這個(gè)順序被編碼在整個(gè)系統(tǒng)的波函數(shù)形狀里，局部的擾動(dòng)破壞不了它。

這就是拓?fù)浔Ｗo(hù)。

這就是大自然給我們的禮物。

2026年剛開(kāi)始。

如果非阿貝爾任意子真的能被直接觀測(cè)、分離、操控，如果它們真的能用來(lái)構(gòu)建容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)，那我們將見(jiàn)證一個(gè)新時(shí)代的開(kāi)啟。

破解RSA加密，幾分鐘。設(shè)計(jì)新藥物，幾小時(shí)。模擬氣候變化，幾天。優(yōu)化全球物流，實(shí)時(shí)。

這不是科幻。

這是物理學(xué)。

羅寧說(shuō)得對(duì)："我們的研究讓科學(xué)家離開(kāi)發(fā)容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)更近了一步。"

更近一步。

但這一步可能改變一切。

參考資料

Yuval Ronen, Aharonov–Bohm interference in even-denominator fractional quantum Hall states, Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-025-09891-2