【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽(yáng)、陳明城教授等利用基于自主研發(fā)的Plasmonium(等離子體躍遷型)超導(dǎo)高非簡(jiǎn)諧性光學(xué)諧振器陣列，實(shí)現(xiàn)了光子間的非線性相互作用，并進(jìn)一步在此系統(tǒng)中構(gòu)建出作用于光子的等效磁場(chǎng)以構(gòu)造人工規(guī)范場(chǎng)，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了光子的分?jǐn)?shù)量子反?；魻枒B(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(jì)算研究的重要進(jìn)展。相關(guān)成果以長(zhǎng)文的形式于北京時(shí)間5月3日發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。
 

　　圖1：成果示意圖。16個(gè)非線性“光子盒”陣列囚禁的微波光子強(qiáng)相互作用形成分?jǐn)?shù)量子反?；魻枒B(tài)(注：“光子盒”的名字最早來(lái)自1930年愛(ài)因斯坦和波爾爭(zhēng)論中提出的思想實(shí)驗(yàn))。
 

　　霍爾效應(yīng)是指當(dāng)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(nèi)部產(chǎn)生垂直于電流和磁場(chǎng)方向的電壓。這個(gè)效應(yīng)由美國(guó)科學(xué)家霍爾在1879年發(fā)現(xiàn)，并被廣泛應(yīng)用于電磁感測(cè)領(lǐng)域。1980年，德國(guó)科學(xué)家馮·克利欽發(fā)現(xiàn)在極低溫和強(qiáng)磁場(chǎng)條件下，霍爾效應(yīng)出現(xiàn)整數(shù)量子化的電導(dǎo)率平臺(tái)。這一新現(xiàn)象超出了經(jīng)典物理學(xué)的描述，被稱為整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，它為精確測(cè)量電阻提供了標(biāo)準(zhǔn)。1981年，美籍華裔科學(xué)家崔琦和德國(guó)科學(xué)家施特默發(fā)現(xiàn)了分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)。整數(shù)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)分別獲得1985年和1998年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
 

　　此后四十余年間，分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)尤其受到了廣泛的關(guān)注。由于最低朗道能級(jí)簡(jiǎn)并電子的相互作用，分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)展現(xiàn)出非平庸的多體糾纏，對(duì)其研究所衍生出的拓?fù)湫?、?fù)合費(fèi)米子等理論成果逐漸成為多體物理學(xué)的基本模型。與此同時(shí)，分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)可激發(fā)出局域的準(zhǔn)粒子，這種準(zhǔn)粒子具有奇異的分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)和拓?fù)浔Ｗo(hù)性質(zhì)，有望成為拓?fù)淞孔佑?jì)算的載體。
 

　　反?；魻栃?yīng)是指無(wú)需外部磁場(chǎng)的情況下觀測(cè)到相關(guān)效應(yīng)。2013年，中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)觀測(cè)到整數(shù)量子反?；魻栃?yīng)。2023年，美國(guó)和中國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)分別獨(dú)立在雙層轉(zhuǎn)角碲化鉬中觀測(cè)到分?jǐn)?shù)量子反常霍爾效應(yīng)。
 

　　傳統(tǒng)的量子霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究采用“自頂而下”的方式，即在特定材料的基礎(chǔ)上，利用該材料已有的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)實(shí)現(xiàn)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(qiáng)的磁場(chǎng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)要求較為苛刻。此外，傳統(tǒng)“自頂而下”的方法難以對(duì)系統(tǒng)微觀量子態(tài)進(jìn)行單點(diǎn)位獨(dú)立地操控和測(cè)量，一定程度上限制了其在量子信息科學(xué)中的應(yīng)用。
 

圖2在非線性光子系統(tǒng)中構(gòu)建人工規(guī)范場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)光子的分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)
 

　　與之相對(duì)地，人工搭建的量子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，靈活可控，是一種“自底而上”研究復(fù)雜量子物態(tài)的新范式。其優(yōu)勢(shì)包括：無(wú)需外磁場(chǎng)，通過(guò)變換耦合形式即可構(gòu)造出等效人工規(guī)范場(chǎng)；通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行高精度可尋址的操控，可實(shí)現(xiàn)對(duì)高集成度量子系統(tǒng)微觀性質(zhì)的全面測(cè)量，并加以進(jìn)一步可控的利用。這類技術(shù)被稱為量子模擬，是“第二次量子革命”的重要內(nèi)容，有望在近期應(yīng)用于模擬經(jīng)典計(jì)算困難的量子系統(tǒng)并達(dá)到“量子計(jì)算優(yōu)越性”。
 

圖3觀察到分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)和拓?fù)涔庾恿?br /> 

　　此前，國(guó)際上已經(jīng)基于其開(kāi)展了一些合成拓?fù)湮飸B(tài)、研究拓?fù)湫再|(zhì)的量子模擬工作。然而，由于以往系統(tǒng)中耦合形式和非線性強(qiáng)度的限制，人們一直未能在二維晶格中為光子構(gòu)建人工規(guī)范場(chǎng)。
 

　　為解決這一重大挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上自主研發(fā)并命名了一種新型超導(dǎo)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(qiáng)的排斥作用。進(jìn)一步，團(tuán)隊(duì)通過(guò)交流耦合的方式構(gòu)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(xiàn)光子分?jǐn)?shù)量子反常霍爾效應(yīng)的兩個(gè)關(guān)鍵難題。同時(shí)，這樣的人造系統(tǒng)具有可尋址、單點(diǎn)位獨(dú)立控制和讀取，以及可編程性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，為實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和操縱提供了新的手段。
 

圖4觀察到準(zhǔn)粒子的不可壓縮和分?jǐn)?shù)霍爾電導(dǎo)
 

　　在該項(xiàng)工作中，研究人員觀測(cè)到了分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)獨(dú)有的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)性質(zhì)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的分?jǐn)?shù)霍爾電導(dǎo)。同時(shí)，他們通過(guò)引入局域勢(shì)場(chǎng)的方法，跟蹤了準(zhǔn)粒子的產(chǎn)生過(guò)程，證實(shí)了準(zhǔn)粒子的不可壓縮性質(zhì)。
 

　　《科學(xué)》雜志審稿人高度評(píng)價(jià)這一工作，認(rèn)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”(a significant advance in quantum simulation with interacting photons)，“一種新穎的局域單點(diǎn)控制和自底而上的途徑”(a novel form of local control and bottom-up approach)，“有潛力為實(shí)現(xiàn)非阿貝爾拓?fù)鋺B(tài)開(kāi)辟一條新的途徑，這是利用二維電子氣材料的傳統(tǒng)方法很難探測(cè)的”(potentially open new pathways for realizing non-Abelian topological states, which have been extremely challenging to probe in two-dimensional electron gases)。
 

　　諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主Frank Wilczek評(píng)價(jià)，這種“自底而上”、用人造原子構(gòu)建哈密頓量的途徑是一個(gè)“非常有前途的想法”(a very promising idea)，這是一個(gè)令人印象深刻的實(shí)驗(yàn)(a very impressive experiment)，為基于任意子的量子信息處理邁出了重要一步(a remarkable step)。沃爾夫獎(jiǎng)獲得者Peter Zoller評(píng)價(jià)，“這在科學(xué)和技術(shù)上都是一項(xiàng)杰出的成就”(a remarkable achievement, both scientifically and technically,)，“實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)是多年來(lái)全球頂級(jí)實(shí)驗(yàn)室競(jìng)爭(zhēng)的量子模擬的圣杯之一”(one of the holy grails of quantum simulation)。
 

　　本文第一作者為陳明城、劉豐銘和王粲。該研究工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院、安徽省和上海市等的支持。(合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心、物理學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院、科研部)