据中国科(ke)学技术大学新闻网消息(xi)，该校潘(pan)建伟(wei)、陆朝阳、陈明城教授等利用基于自主研发的Plasmonium（等离子体跃迁(qian)型）超(chao)导高(gao)非简谐性光学谐振器阵列，实现了光子间(jian)的非线性相互作用，并进一步在此系(xi)统中构建出作用于光子的等效磁场以(yi)构造人工规范(fan)场，在国际上首次实现了光子的分数量子反常霍尔态。这是(shi)利用“自底而(er)上”的量子模拟方法进行量子物态和(he)量子计算研究的重要进展(zhan)。相关成果以(yi)长文的形式于北京时(shi)间(jian)5月3日发表在国际学术期刊《科(ke)学》上。
成果示意图(tu)。16个非线性“光子盒”阵列囚禁的微波光子强相互作用形成分数量子反常霍尔态（注：“光子盒”的名字最早(zao)来自1930年爱因斯坦和(he)波尔争论(lun)中提出的思想实验(yan)）。
霍尔效应是(shi)指当电流通过置于磁场中的材料时(shi)，电子受到洛伦兹力的作用，在材料内部产生垂直于电流和(he)磁场方向的电压。这个效应由美国科(ke)学家(jia)霍尔在1879年发现，并被广泛(fan)应用于电磁感测领域(yu)。1980年，德国科(ke)学家(jia)冯(feng)·克利钦发现在极低(di)温和(he)强磁场条件(jian)下，霍尔效应出现整数量子化的电导率平台。这一新现象超(chao)出了经典(dian)物理学的描(miao)述，被称(cheng)为整数量子霍尔效应，它为精确测量电阻提供了标准。1981年，美籍华裔科(ke)学家(jia)崔(cui)琦和(he)德国科(ke)学家(jia)施特默(mo)发现了分数量子霍尔效应。整数和(he)分数量子霍尔效应的发现分别获得(de)1985年和(he)1998年诺贝(bei)尔物理学奖。
此后四十余年间(jian)，分数量子霍尔效应尤(you)其受到了广泛(fan)的关注。由于最低(di)朗道能级简并电子的相互作用，分数量子霍尔态展(zhan)现出非平庸的多体纠缠，对其研究所衍(yan)生出的拓扑序、复合费米(mi)子等理论(lun)成果逐渐成为多体物理学的基本模型。与此同(tong)时(shi)，分数量子霍尔态可激(ji)发出局域(yu)的准粒子，这种准粒子具有奇异(yi)的分数统计和(he)拓扑保护性质，有望成为拓扑量子计算的载体。
反常霍尔效应是(shi)指无需(xu)外部磁场的情况下观测到相关效应。2013年，中国研究团队观测到整数量子反常霍尔效应。2023年，美国和(he)中国的研究团队分别独立在双层转角碲(di)化钼(mu)中观测到分数量子反常霍尔效应。
传统的量子霍尔效应实验(yan)研究采用“自顶而(er)下”的方式，即在特定材料的基础上，利用该材料已有的结构和(he)性质实现制备量子霍尔态。通常情况下，需(xu)要极低(di)温环境、极高(gao)的二维(wei)材料纯净度和(he)极强的磁场，对实验(yan)要求较为苛刻。此外，传统“自顶而(er)下”的方法难以(yi)对系(xi)统微观量子态进行单点位独立地操控和(he)测量，一定程度上限制了其在量子信息(xi)科(ke)学中的应用。
在非线性光子系(xi)统中构建人工规范(fan)场，实现光子的分数量子霍尔态
与之相对地，人工搭建的量子系(xi)统结构清晰，灵活可控，是(shi)一种“自底而(er)上”研究复杂(za)量子物态的新范(fan)式。其优势包括：无需(xu)外磁场，通过变换耦(ou)合形式即可构造出等效人工规范(fan)场；通过对系(xi)统进行高(gao)精度可寻址的操控，可实现对高(gao)集成度量子系(xi)统微观性质的全面测量，并加以(yi)进一步可控的利用。这类技术被称(cheng)为量子模拟，是(shi)“第二次量子革命”的重要内容，有望在近期应用于模拟经典(dian)计算困难的量子系(xi)统并达到“量子计算优越(yue)性”。
观察到分数量子霍尔态的拓扑关联和(he)拓扑光子流
此前，国际上已经基于其开展(zhan)了一些合成拓扑物态、研究拓扑性质的量子模拟工作。然而(er)，由于以(yi)往系(xi)统中耦(ou)合形式和(he)非线性强度的限制，人们(men)一直未能在二维(wei)晶格(ge)中为光子构建人工规范(fan)场。
为解决这一重大挑战，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，打破了目前主流的Transmon（传输子型）量子比特相干性与非简谐性之间(jian)的制约，用更高(gao)的非简谐性提供了光子间(jian)更强的排斥作用。进一步，团队通过交流耦(ou)合的方式构造出作用于光子的等效磁场，使光子绕晶格(ge)的流动(dong)可积(ji)累(lei)Berry（贝(bei)里）相位，解决了实现光子分数量子反常霍尔效应的两个关键难题。同(tong)时(shi)，这样的人造系(xi)统具有可寻址、单点位独立控制和(he)读(du)取，以(yi)及可编程性强的优势，为实验(yan)观测和(he)操纵提供了新的手段。
观察到准粒子的不可压缩和(he)分数霍尔电导
在该项工作中，研究人员观测到了分数量子霍尔态独有的拓扑关联性质，验(yan)证了该系(xi)统的分数霍尔电导。同(tong)时(shi)，他们(men)通过引入局域(yu)势场的方法，跟踪(zong)了准粒子的产生过程，证实了准粒子的不可压缩性质。
《科(ke)学》杂(za)志审稿人高(gao)度评价这一工作，认为这一工作“是(shi)利用相互作用光子进行量子模拟的重大进展(zhan)”，“一种新颖的局域(yu)单点控制和(he)自底而(er)上的途径”，“有潜力为实现非阿贝(bei)尔拓扑态开辟一条新的途径，这是(shi)利用二维(wei)电子气材料的传统方法很难探(tan)测的”。
诺贝(bei)尔物理学奖得(de)主Frank Wilczek评价，这种“自底而(er)上”、用人造原子构建哈密(mi)顿量的途径是(shi)一个“非常有前途的想法”，这是(shi)一个令(ling)人印象深刻的实验(yan)，为基于任意子的量子信息(xi)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(he)技术上都是(shi)一项杰(jie)出的成就”，“实现这样的目标是(shi)多年来全球顶级实验(yan)室竞争的量子模拟的圣(sheng)杯(bei)之一”。