中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽(yáng)、陳明城教授團隊6日在京宣布，該團隊等利用基于自主研發(fā)的Plasmonium（等離子體躍遷型）超導高非簡(jiǎn)諧性光學(xué)諧振器陣列，實(shí)現了光子間的非線(xiàn)性相互作用，并進(jìn)一步在此系統中構建出作用于光子的等效磁場(chǎng)以構造人工規范場(chǎng)，在國際上首次實(shí)現了光子的分數量子反常霍爾態(tài)。這是利用“自底而上”的量子模擬方法進(jìn)行量子物態(tài)和量子計算研究的重要進(jìn)展。相關(guān)成果以長(cháng)文的形式于北京時(shí)間5月3日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。
霍爾效應是指當電流通過(guò)置于磁場(chǎng)中的材料時(shí)，電子受到洛倫茲力的作用，在材料內部產(chǎn)生垂直于電流和磁場(chǎng)方向的電壓。這個(gè)效應由美國科學(xué)家霍爾在1879年發(fā)現，并被廣泛應用于電磁感測領(lǐng)域。1980年，德國科學(xué)家馮·克利欽發(fā)現在極低溫和強磁場(chǎng)條件下，霍爾效應出現整數量子化的電導率平臺。這一新現象超出了經(jīng)典物理學(xué)的描述，被稱(chēng)為整數量子霍爾效應，它為精確測量電阻提供了標準。1981年，美籍華裔科學(xué)家崔琦和德國科學(xué)家施特默發(fā)現了分數量子霍爾效應。整數和分數量子霍爾效應的發(fā)現分別獲得1985年和1998年諾貝爾物理學(xué)獎。此后40余年間，分數量子霍爾效應尤其受到了廣泛的關(guān)注。
反常霍爾效應是指無(wú)需外部磁場(chǎng)的情況下觀(guān)測到相關(guān)效應。2013年，中國研究團隊觀(guān)測到整數量子反常霍爾效應。2023年，美國和中國的研究團隊分別獨立在雙層轉角碲化鉬中觀(guān)測到分數量子反常霍爾效應。
傳統的量子霍爾效應實(shí)驗研究采用“自頂而下”的方式，即在特定材料的基礎上，利用該材料已有的結構和性質(zhì)實(shí)現制備量子霍爾態(tài)。通常情況下，需要極低溫環(huán)境、極高的二維材料純凈度和極強的磁場(chǎng)，對實(shí)驗要求較為苛刻。此外，傳統“自頂而下”的方法難以對系統微觀(guān)量子態(tài)進(jìn)行單點(diǎn)位獨立地操控和測量，一定程度上限制了其在量子信息科學(xué)中的應用。
與之相對地，人工搭建的量子系統結構清晰，靈活可控，是一種“自底而上”研究復雜量子物態(tài)的新范式。其優(yōu)勢包括：無(wú)需外磁場(chǎng)，通過(guò)變換耦合形式即可構造出等效人工規范場(chǎng)；通過(guò)對系統進(jìn)行高精度可尋址的操控，可實(shí)現對高集成度量子系統微觀(guān)性質(zhì)的全面測量，并加以進(jìn)一步可控的利用。這類(lèi)技術(shù)被稱(chēng)為量子模擬，是“第二次量子革命”的重要內容，有望在近期應用于模擬經(jīng)典計算困難的量子系統并達到“量子計算優(yōu)越性”。
此前，國際上已經(jīng)基于其開(kāi)展了一些合成拓撲物態(tài)、研究拓撲性質(zhì)的量子模擬工作。然而，由于以往系統中耦合形式和非線(xiàn)性強度的限制，人們一直未能在二維晶格中為光子構建人工規范場(chǎng)。
為解決這一重大挑戰，團隊在國際上自主研發(fā)并命名了一種新型超導量子比特Plasmonium，打破了目前主流的Transmon（傳輸子型）量子比特相干性與非簡(jiǎn)諧性之間的制約，用更高的非簡(jiǎn)諧性提供了光子間更強的排斥作用。進(jìn)一步，團隊通過(guò)交流耦合的方式構造出作用于光子的等效磁場(chǎng)，使光子繞晶格的流動(dòng)可積累Berry（貝里）相位，解決了實(shí)現光子分數量子反常霍爾效應的兩個(gè)關(guān)鍵難題。同時(shí)，這樣的人造系統具有可尋址、單點(diǎn)位獨立控制和讀取，以及可編程性強的優(yōu)勢，為實(shí)驗觀(guān)測和操縱提供了新的手段。
在該項工作中，研究人員觀(guān)測到了分數量子霍爾態(tài)獨有的拓撲關(guān)聯(lián)性質(zhì)，驗證了該系統的分數霍爾電導。同時(shí)，他們通過(guò)引入局域勢場(chǎng)的方法，跟蹤了準粒子的產(chǎn)生過(guò)程，證實(shí)了準粒子的不可壓縮性質(zhì)。
《科學(xué)》雜志審稿人高度評價(jià)這一工作，認為這一工作“是利用相互作用光子進(jìn)行量子模擬的重大進(jìn)展。”
諾貝爾物理學(xué)獎得主Frank Wilczek評價(jià)，這種“自底而上”、用人造原子構建哈密頓量的途徑是一個(gè)“非常有前途的想法”，這是一個(gè)令人印象深刻的實(shí)驗，為基于任意子的量子信息處理邁出了重要一步。
| 