据(ju)中国科(ke)学技术大学新闻网消息，该校潘建伟、陆朝(chao)阳、陈明城(cheng)教授等利用基(ji)于自主研发的Plasmonium（等离子体(ti)跃迁型）超(chao)导高非简(jian)谐性光学谐振器阵列，实现了光子间的非线性相互作用，并进(jin)一步在此(ci)系统中构(gou)建出作用于光子的等效磁场以构(gou)造人(ren)工规范场，在国际上首(shou)次实现了光子的分数量子反常霍尔态。这是利用“自底而上”的量子模(mo)拟方法进(jin)行量子物态和量子计算研究的重要进(jin)展。相关成果以长文的形式于北京(jing)时间5月3日发表在国际学术期刊《科(ke)学》上。
成果示意图。16个非线性“光子盒”阵列囚(qiu)禁的微波光子强(qiang)相互作用形成分数量子反常霍尔态（注：“光子盒”的名字最早来自1930年爱因斯坦和波尔争论中提出的思(si)想实验）。
霍尔效应是指当电流通过置于磁场中的材料(liao)时，电子受到洛伦(lun)兹力的作用，在材料(liao)内部产生垂直(zhi)于电流和磁场方向的电压。这个效应由美国科(ke)学家霍尔在1879年发现，并被广泛应用于电磁感测领域。1980年，德国科(ke)学家冯·克利钦发现在极低(di)温和强(qiang)磁场条(tiao)件下(xia)，霍尔效应出现整数量子化的电导率平台(tai)。这一新现象超(chao)出了经(jing)典(dian)物理学的描述，被称为整数量子霍尔效应，它为精确测量电阻提供了标(biao)准。1981年，美籍华(hua)裔科(ke)学家崔琦和德国科(ke)学家施(shi)特默发现了分数量子霍尔效应。整数和分数量子霍尔效应的发现分别获得(de)1985年和1998年诺贝尔物理学奖。
此(ci)后四十(shi)余(yu)年间，分数量子霍尔效应尤其受到了广泛的关注。由于最低(di)朗道能级简(jian)并电子的相互作用，分数量子霍尔态展现出非平庸的多体(ti)纠缠，对其研究所衍(yan)生出的拓扑序、复(fu)合费米子等理论成果逐渐成为多体(ti)物理学的基(ji)本模(mo)型。与(yu)此(ci)同时，分数量子霍尔态可激发出局(ju)域的准粒子，这种准粒子具有(you)奇异的分数统计和拓扑保(bao)护性质(zhi)，有(you)望成为拓扑量子计算的载体(ti)。
反常霍尔效应是指无需外(wai)部磁场的情况下(xia)观(guan)测到相关效应。2013年，中国研究团队观(guan)测到整数量子反常霍尔效应。2023年，美国和中国的研究团队分别独立在双层转角碲化钼中观(guan)测到分数量子反常霍尔效应。
传(chuan)统的量子霍尔效应实验研究采用“自顶而下(xia)”的方式，即在特定(ding)材料(liao)的基(ji)础上，利用该材料(liao)已有(you)的结构(gou)和性质(zhi)实现制备量子霍尔态。通常情况下(xia)，需要极低(di)温环境、极高的二维材料(liao)纯净度和极强(qiang)的磁场，对实验要求较为苛刻。此(ci)外(wai)，传(chuan)统“自顶而下(xia)”的方法难以对系统微观(guan)量子态进(jin)行单点位独立地操控和测量，一定(ding)程度上限制了其在量子信息科(ke)学中的应用。
在非线性光子系统中构(gou)建人(ren)工规范场，实现光子的分数量子霍尔态
与(yu)之相对地，人(ren)工搭建的量子系统结构(gou)清晰，灵(ling)活可控，是一种“自底而上”研究复(fu)杂量子物态的新范式。其优势包括：无需外(wai)磁场，通过变换耦合形式即可构(gou)造出等效人(ren)工规范场；通过对系统进(jin)行高精度可寻址的操控，可实现对高集成度量子系统微观(guan)性质(zhi)的全面测量，并加以进(jin)一步可控的利用。这类技术被称为量子模(mo)拟，是“第二次量子革命”的重要内容，有(you)望在近(jin)期应用于模(mo)拟经(jing)典(dian)计算困难的量子系统并达到“量子计算优越性”。
观(guan)察到分数量子霍尔态的拓扑关联和拓扑光子流
此(ci)前，国际上已经(jing)基(ji)于其开展了一些合成拓扑物态、研究拓扑性质(zhi)的量子模(mo)拟工作。然(ran)而，由于以往(wang)系统中耦合形式和非线性强(qiang)度的限制，人(ren)们一直(zhi)未能在二维晶格中为光子构(gou)建人(ren)工规范场。
为解决(jue)这一重大挑战，团队在国际上自主研发并命名了一种新型超(chao)导量子比特Plasmonium，打(da)破了目前主流的Transmon（传(chuan)输子型）量子比特相干性与(yu)非简(jian)谐性之间的制约(yue)，用更高的非简(jian)谐性提供了光子间更强(qiang)的排斥作用。进(jin)一步，团队通过交流耦合的方式构(gou)造出作用于光子的等效磁场，使光子绕晶格的流动可积累(lei)Berry（贝里）相位，解决(jue)了实现光子分数量子反常霍尔效应的两(liang)个关键难题。同时，这样的人(ren)造系统具有(you)可寻址、单点位独立控制和读取(qu)，以及可编程性强(qiang)的优势，为实验观(guan)测和操纵提供了新的手段(duan)。
观(guan)察到准粒子的不可压缩(suo)和分数霍尔电导
在该项工作中，研究人(ren)员观(guan)测到了分数量子霍尔态独有(you)的拓扑关联性质(zhi)，验证了该系统的分数霍尔电导。同时，他们通过引入局(ju)域势场的方法，跟踪了准粒子的产生过程，证实了准粒子的不可压缩(suo)性质(zhi)。
《科(ke)学》杂志审稿人(ren)高度评价这一工作，认为这一工作“是利用相互作用光子进(jin)行量子模(mo)拟的重大进(jin)展”，“一种新颖的局(ju)域单点控制和自底而上的途径”，“有(you)潜力为实现非阿贝尔拓扑态开辟一条(tiao)新的途径，这是利用二维电子气材料(liao)的传(chuan)统方法很难探测的”。
诺贝尔物理学奖得(de)主Frank Wilczek评价，这种“自底而上”、用人(ren)造原子构(gou)建哈密顿量的途径是一个“非常有(you)前途的想法”，这是一个令人(ren)印(yin)象深刻的实验，为基(ji)于任意子的量子信息处理迈出了重要一步。沃尔夫奖获得(de)者评价，“这在科(ke)学和技术上都是一项杰(jie)出的成就”，“实现这样的目标(biao)是多年来全球顶级实验室竞(jing)争的量子模(mo)拟的圣杯(bei)之一”。