2026物理學第一個重大發(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，不是用存儲器，是粒子本身在記憶。

如果這是真的，量子計算機的最大障礙可能有解了。

一

量子計算機是全人類的下一個技術圣杯。

傳統(tǒng)計算機用0和1存儲信息，一個比特要么是0，要么是1。

量子計算機用的是"量子比特"，可以同時是0和1。正因為這個特性，量子計算機處理某些問題的速度可以達到傳統(tǒng)計算機的指數(shù)級倍數(shù)。

預測化學反應、破解密碼、模擬分子結構、優(yōu)化物流路線、天氣預報，這些對傳統(tǒng)計算機來說極其困難的問題，量子計算機理論上都能輕松搞定。

但有個致命問題。

量子態(tài)極其脆弱。

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

就像你在水面上寫字，剛寫完，波紋就把字抹掉了。

現(xiàn)在的量子計算機必須在接近絕對零度的環(huán)境里運行，必須嚴格屏蔽外界干擾。即便如此，量子態(tài)也只能維持幾毫秒到幾秒。

計算還沒做完，信息就沒了。

這就是為什么，盡管谷歌、IBM、中國的研究機構都造出了量子計算機，但它們依然只能做些非常窄的研究應用，無法真正投入使用。

要讓量子計算機真正有用，必須解決一個問題：容錯。

信息不能丟。

二

物理學家想了很多辦法。

其中一個方向叫"拓撲量子計算"。

這個詞聽起來很學術，但道理很簡單：與其把信息存在單個粒子上，不如存在整個系統(tǒng)的"形狀"上。

你拿一根繩子打個結。這個結的形狀不會因為你輕輕拉扯繩子就消失，除非你徹底解開它。

這就是"拓撲"性質。某些信息被編碼在系統(tǒng)的整體結構里，局部的擾動不會破壞它。

而實現(xiàn)這種拓撲量子計算，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。

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

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

玻色子，比如光子，交換位置后波函數(shù)不變。

費米子，比如電子，交換位置后波函數(shù)翻轉180度。

這是從20世紀初到1980年代的共識。

但1982年，科學家發(fā)現(xiàn)了第三種可能。

在極端條件下，接近絕對零度、強磁場、二維材料，電子不再表現(xiàn)得像完整的粒子，而是分裂成"分數(shù)電子"。

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

所以它們叫"任意子"，來自"任意"這個詞。

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

你理解這意味著什么嗎？

在普通的量子計算機里，量子比特是單個粒子，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。

而且這個信息不會因為局部擾動就消失，只要你沒有徹底打亂整個系統(tǒng)，信息就還在。

這就是"拓撲保護"。

羅寧說："這種系統(tǒng)的本質屬性在這個層面上得到保護，對局部擾動具有韌性。這種系統(tǒng)被稱為拓撲系統(tǒng)，它們提供了實現(xiàn)可靠量子計算的最有前景的路線之一。"

聽起來完美。

但有個問題。

非阿貝爾任意子從來沒有被直接觀測到過。

五

理論上，非阿貝爾任意子應該存在。

1980年代，物理學家就預言了它們的存在。

但證明它們存在極其困難。

首先你需要極端條件：接近絕對零度的溫度、強磁場、二維材料。

其次你需要精確控制這些粒子的運動軌跡。

最后你需要測量它們的波函數(shù)如何隨交換順序變化。

這三個條件每一個都很難。

過去幾十年，科學家成功測量到了"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理論預言。

直到現(xiàn)在。

六

魏茨曼研究所的這個實驗用的材料叫"雙層石墨烯"。

石墨烯你可能聽說過，是單層碳原子排列成的蜂窩狀晶體，只有一個原子那么厚。雙層石墨烯就是兩層石墨烯疊在一起。

這個材料很特殊。在極低溫度和強磁場下，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。

而且科學家可以精確控制這些任意子的運動路徑。

實驗的設計很巧妙。

他們借鑒了一個19世紀的光學實驗：把一束光困在兩面鏡子之間，讓它反復反射。每次反射，光的波函數(shù)會旋轉一定角度。如果反射回來的波跟原來的波不同步，它們會相互抵消，光就變弱。經(jīng)過多次反射后，波函數(shù)轉了一圈回到原來的相位，波就同步了，光就變強。這會產(chǎn)生明暗交替的干涉條紋。

在量子版本的實驗里，研究人員讓一個任意子的波沿著環(huán)形路徑運動，繞過一個包含其他任意子和磁場的"島嶼"，然后回來跟原來的波相遇。

他們首先測量磁場如何影響這個繞行任意子的相位。

每繞一圈，返回的波的相位都會在磁場影響下改變。當它跟原來的波相遇時要么相互抵消，要么相互增強。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。

從這個干涉圖案可以推斷出繞行任意子的性質。

羅寧說："在我們的實驗中，我們成功測量到了一個帶偶數(shù)分母的分數(shù)電子。與普遍假設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)繞島運動的波對應的是半個電子。經(jīng)過進一步實驗，我們估計這是因為兩個非阿貝爾任意子在一起繞島運行，盡管我們還沒能把它們分開。但這已經(jīng)是朝著直接識別和測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實驗。

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

干涉圖案斜率的變化表明，內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測的那樣。

這與魏茨曼研究所莫蒂·黑布盧姆教授實驗室之前的隧穿實驗結果一致。

羅寧總結說："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'，換句話說，測量每種粒子交換順序如何在波函數(shù)中留下獨特的印記。"

這就是關鍵。

如果能證明交換順序確實會改變波函數(shù)的形狀，如果能證明這個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。

這個信息不會因為環(huán)境擾動而丟失。

容錯量子計算機就有了物理基礎。

八

羅寧說："今天的量子計算機仍然局限于狹窄的研究應用，要真正有用它們必須可靠。我們的研究讓科學家離開發(fā)容錯量子計算機更近了一步。"

這不是夸張。

從谷歌宣布"量子霸權"到現(xiàn)在已經(jīng)過去了好幾年，量子計算機依然是實驗室里的玩具。

原因就是容錯太難。

IBM的量子計算機有上百個量子比特，但錯誤率高得嚇人。中國的"祖沖之號"、"九章"在特定問題上展現(xiàn)了量子優(yōu)勢，但也無法處理復雜的通用計算。

所有人都在等一個突破。

拓撲量子計算被認為是最有希望的方向。

微軟從2000年代就開始投資拓撲量子計算，但進展緩慢，因為找不到非阿貝爾任意子。

現(xiàn)在魏茨曼研究所說：我們找到了。

九

當然這還不是終點。

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

但他們證明了：雙層石墨烯這個材料確實可以產(chǎn)生非阿貝爾任意子。

這個材料是穩(wěn)定的，可控的，可以被精確操縱。

羅寧的團隊現(xiàn)在正在做下一步實驗：分離單個非阿貝爾任意子，直接測量它們的"記憶"。

如果成功了，那就不只是一篇《自然》論文的事。

那將是量子計算歷史上的里程碑。

十

物理學家理查德·費曼在1981年說過，要模擬量子系統(tǒng)你需要量子計算機，因為量子世界太復雜，經(jīng)典計算機算不過來。

但量子計算機本身又太脆弱，信息說丟就丟。

這個悖論困擾了物理學家40多年。

現(xiàn)在一種會"記憶"的粒子可能提供了答案。

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

這就是拓撲保護。

這就是大自然給我們的禮物。

2026年剛開始。

如果非阿貝爾任意子真的能被直接觀測、分離、操控，如果它們真的能用來構建容錯量子計算機，那我們將見證一個新時代的開啟。

破解RSA加密，幾分鐘。設計新藥物，幾小時。模擬氣候變化，幾天。優(yōu)化全球物流，實時。

這不是科幻。

這是物理學。

羅寧說得對："我們的研究讓科學家離開發(fā)容錯量子計算機更近了一步。"

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