中科大团队首次实现光子的分数量子反常霍尔态

近日，记者从中国科学院获悉，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、陈明城教授等利用基于自主研发的等离子体跃迁型（Plasmonium）超导高非简谐性光学谐振器阵列，实现了光子间的非线性相互作用，并进一步在此系统中构建出作用于光子的等效磁场以构造人工规范场，在国际上首次实现了光子的分数量子反常霍尔态。这是利用“自底而上”的量子模拟方法进行量子物态和量子计算研究的重要进展。相关成果以长文的形式，于北京时间5月3日发表在国际学术期刊《科学》上。

据了解，霍尔效应由美国科学家霍尔在1879年发现，是指当电流通过置于磁场中的材料时，电子受到洛伦兹力的作用，在材料内部产生垂直于电流和磁场方向的电压。霍尔效应被广泛应用于电磁感测领域，整数和分数量子霍尔效应的发现分别获得1985年和1998年诺贝尔物理学奖。分数量子霍尔效应尤其受到了广泛的关注，分数量子霍尔态可激发出局域的准粒子，这种准粒子有望成为拓扑量子计算的载体。

反常霍尔效应是指无需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，美国和中国的研究团队分别独立在双层转角碲化钼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研究，采用“自顶而下”的方式，即在特定材料的基础上，利用该材料已有的结构和性质，实现制备量子霍尔态。

而此次实现的人工搭建的量子系统，结构清晰，灵活可控，是一种“自底而上”研究复杂量子物态的新范式。

“如果打个比方，前者是从山顶往下开凿，凿成一座房子。后者是用砖头盖房子。”新闻发布会上，中国科学技术大学教授陆朝阳说。

为了能够“用砖头盖房子”，团队在国际上自主研发并命名了一种新型超导量子比特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的制约，用更高的非简谐性提供了光子间更强的排斥作用，进而解决了实现光子分数量子反常霍尔效应的两个关键难题，为实验观测和操纵提供了新的手段。

这类技术被称为量子模拟，是“第二次量子革命”的重要内容，有望在近期应用于模拟经典计算困难的量子系统并达到“量子计算优越性”。

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，验证了该系统的分数霍尔电导。同时，他们通过引入局域势场的方法，跟踪了准粒子的产生过程，证实了准粒子的不可压缩性质。

诺贝尔物理学奖得主弗朗克·维尔切克表示，这种“自底而上”、用人造原子构建哈密顿量的途径是“非常有前途的想法”。他认为，这是一个令人印象深刻的实验，为基于任意子的量子信息处理迈出了重要一步。

（责编：赵珊）