2026物理学第一个重大发现：粒子系统能记住量子态

2026年1月，魏茨曼科学研究所在《自然》杂志上发了一篇论文。

他们找到了一种粒子，这种粒子能"记住"自己之前的状态。

不是用硬盘，不是用存储器，是粒子本身在记忆。

如果这是真的，量子计算机的最大障碍可能有解了。

一

量子计算机是全人类的下一个技术圣杯。

传统计算机用0和1存储信息，一个比特要么是0，要么是1。

量子计算机用的是"量子比特"，可以同时是0和1。正因为这个特性，量子计算机处理某些问题的速度可以达到传统计算机的指数级倍数。

预测化学反应、破解密码、模拟分子结构、优化物流路线、天气预报，这些对传统计算机来说极其困难的问题，量子计算机理论上都能轻松搞定。

但有个致命问题。

量子态极其脆弱。

任何环境干扰，温度波动、电磁场、甚至宇宙射线，都会让量子态坍缩，信息瞬间丢失。这叫"退相干"。

就像你在水面上写字，刚写完，波纹就把字抹掉了。

现在的量子计算机必须在接近绝对零度的环境里运行，必须严格屏蔽外界干扰。即便如此，量子态也只能维持几毫秒到几秒。

计算还没做完，信息就没了。

这就是为什么，尽管谷歌、IBM、中国的研究机构都造出了量子计算机，但它们依然只能做些非常窄的研究应用，无法真正投入使用。

要让量子计算机真正有用，必须解决一个问题：容错。

信息不能丢。

二

物理学家想了很多办法。

其中一个方向叫"拓扑量子计算"。

这个词听起来很学术，但道理很简单：与其把信息存在单个粒子上，不如存在整个系统的"形状"上。

你拿一根绳子打个结。这个结的形状不会因为你轻轻拉扯绳子就消失，除非你彻底解开它。

这就是"拓扑"性质。某些信息被编码在系统的整体结构里，局部的扰动不会破坏它。

而实现这种拓扑量子计算，需要一种特殊的粒子。

"非阿贝尔任意子"。

三

任意子是一种很奇怪的粒子。

在量子力学里，粒子既是粒子也是波。每个粒子都有一个"波函数"，描述它的状态。

物理学家根据两个相同粒子交换位置时波函数如何变化，把粒子分成两类：

玻色子，比如光子，交换位置后波函数不变。

费米子，比如电子，交换位置后波函数翻转180度。

这是从20世纪初到1980年代的共识。

但1982年，科学家发现了第三种可能。

在极端条件下，接近绝对零度、强磁场、二维材料，电子不再表现得像完整的粒子，而是分裂成"分数电子"。

这些分数电子交换位置时，波函数可以旋转任意角度，从0度到180度之间的任何值。

所以它们叫"任意子"，来自"任意"这个词。

但任意子又分两种。

"阿贝尔任意子"，交换位置只改变波函数的相位。

"非阿贝尔任意子"，交换位置不仅改变相位，还改变波函数的形状。

关键在这里。

四

魏茨曼研究所的尤瓦尔·罗宁博士解释得很清楚：

"在非阿贝尔任意子中，交换位置会在波函数的形状上留下印记。如果我们有三个非阿贝尔任意子，先交换第一个和第二个，再交换第二个和第三个，得到的波函数形状会跟我们用另一个顺序交换时完全不同。这提供了一种编码和存储信息的方式。"

你理解这意味着什么吗？

在普通的量子计算机里，量子比特是单个粒子，容易受环境噪声影响。

在非阿贝尔任意子系统里，信息不存在局部，而是存在整个系统的波函数里。

你交换粒子的顺序就是在"编程"。

交换顺序不同，系统的波函数就不同，信息就不同。

而且这个信息不会因为局部扰动就消失，只要你没有彻底打乱整个系统，信息就还在。

这就是"拓扑保护"。

罗宁说："这种系统的本质属性在这个层面上得到保护，对局部扰动具有韧性。这种系统被称为拓扑系统，它们提供了实现可靠量子计算的最有前景的路线之一。"

听起来完美。

但有个问题。

非阿贝尔任意子从来没有被直接观测到过。

五

理论上，非阿贝尔任意子应该存在。

1980年代，物理学家就预言了它们的存在。

但证明它们存在极其困难。

首先你需要极端条件：接近绝对零度的温度、强磁场、二维材料。

其次你需要精确控制这些粒子的运动轨迹。

最后你需要测量它们的波函数如何随交换顺序变化。

这三个条件每一个都很难。

过去几十年，科学家成功测量到了"阿贝尔任意子"，那种交换位置只改变相位的任意子。

但非阿贝尔任意子一直是个理论预言。

直到现在。

六

魏茨曼研究所的这个实验用的材料叫"双层石墨烯"。

石墨烯你可能听说过，是单层碳原子排列成的蜂窝状晶体，只有一个原子那么厚。双层石墨烯就是两层石墨烯叠在一起。

这个材料很特殊。在极低温度和强磁场下，它的电子行为非常奇特，理论上可以产生非阿贝尔任意子。

而且科学家可以精确控制这些任意子的运动路径。

实验的设计很巧妙。

他们借鉴了一个19世纪的光学实验：把一束光困在两面镜子之间，让它反复反射。每次反射，光的波函数会旋转一定角度。如果反射回来的波跟原来的波不同步，它们会相互抵消，光就变弱。经过多次反射后，波函数转了一圈回到原来的相位，波就同步了，光就变强。这会产生明暗交替的干涉条纹。

在量子版本的实验里，研究人员让一个任意子的波沿着环形路径运动，绕过一个包含其他任意子和磁场的"岛屿"，然后回来跟原来的波相遇。

他们首先测量磁场如何影响这个绕行任意子的相位。

每绕一圈，返回的波的相位都会在磁场影响下改变。当它跟原来的波相遇时要么相互抵消，要么相互增强。这产生了干涉图案，但这里的图案不是明暗条纹，而是高低电阻交替的条纹。

从这个干涉图案可以推断出绕行任意子的性质。

罗宁说："在我们的实验中，我们成功测量到了一个带偶数分母的分数电子。与普遍假设非阿贝尔任意子携带四分之一电子电荷不同，我们惊讶地发现绕岛运动的波对应的是半个电子。经过进一步实验，我们估计这是因为两个非阿贝尔任意子在一起绕岛运行，尽管我们还没能把它们分开。但这已经是朝着直接识别和测量非阿贝尔任意子迈出的重要一步。"

七

然后他们做了第二个实验。

通过改变岛屿内部的电子密度，观察这如何影响绕行任意子的波函数，进而影响干涉图案，他们可以推断出岛屿内部粒子的性质。

干涉图案斜率的变化表明，内部粒子携带四分之一电子的电荷。

正如非阿贝尔任意子理论所预测的那样。

这与魏茨曼研究所莫蒂·黑布卢姆教授实验室之前的隧穿实验结果一致。

罗宁总结说："我们已经证明，双层石墨烯几乎肯定存在非阿贝尔任意子。下一步是直接观察非阿贝尔任意子系统的'记忆'，换句话说，测量每种粒子交换顺序如何在波函数中留下独特的印记。"

这就是关键。

如果能证明交换顺序确实会改变波函数的形状，如果能证明这个形状变化可以被读取和控制，那就意味着信息可以被编码在粒子交换的顺序里。

这个信息不会因为环境扰动而丢失。

容错量子计算机就有了物理基础。

八

罗宁说："今天的量子计算机仍然局限于狭窄的研究应用，要真正有用它们必须可靠。我们的研究让科学家离开发容错量子计算机更近了一步。"

这不是夸张。

从谷歌宣布"量子霸权"到现在已经过去了好几年，量子计算机依然是实验室里的玩具。

原因就是容错太难。

IBM的量子计算机有上百个量子比特，但错误率高得吓人。中国的"祖冲之号"、"九章"在特定问题上展现了量子优势，但也无法处理复杂的通用计算。

所有人都在等一个突破。

拓扑量子计算被认为是最有希望的方向。

微软从2000年代就开始投资拓扑量子计算，但进展缓慢，因为找不到非阿贝尔任意子。

现在魏茨曼研究所说：我们找到了。

九

当然这还不是终点。

他们还没有直接分离出单个非阿贝尔任意子，还没有直接测量交换顺序如何改变波函数形状。

但他们证明了：双层石墨烯这个材料确实可以产生非阿贝尔任意子。

这个材料是稳定的，可控的，可以被精确操纵。

罗宁的团队现在正在做下一步实验：分离单个非阿贝尔任意子，直接测量它们的"记忆"。

如果成功了，那就不只是一篇《自然》论文的事。

那将是量子计算历史上的里程碑。

十

物理学家理查德·费曼在1981年说过，要模拟量子系统你需要量子计算机，因为量子世界太复杂，经典计算机算不过来。

但量子计算机本身又太脆弱，信息说丢就丢。

这个悖论困扰了物理学家40多年。

现在一种会"记忆"的粒子可能提供了答案。

信息不存在单个粒子上，而存在粒子交换的顺序里。这个顺序被编码在整个系统的波函数形状里，局部的扰动破坏不了它。

这就是拓扑保护。

这就是大自然给我们的礼物。

2026年刚开始。

如果非阿贝尔任意子真的能被直接观测、分离、操控，如果它们真的能用来构建容错量子计算机，那我们将见证一个新时代的开启。

破解RSA加密，几分钟。设计新药物，几小时。模拟气候变化，几天。优化全球物流，实时。

这不是科幻。

这是物理学。

罗宁说得对："我们的研究让科学家离开发容错量子计算机更近了一步。"

更近一步。

但这一步可能改变一切。

参考资料

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