中國科學技術(shù)大學潘建偉,、陸朝陽、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)高非簡諧性光學諧振器陣列,，實現(xiàn)了光子間的非線性相互作用,，并進一步在此系統(tǒng)中構(gòu)建出作用于光子的等效磁場以構(gòu)造人工規(guī)范場，在國際上首次實現(xiàn)了光子的分數(shù)量子反?；魻枒B(tài),。這是利用“自底而上”的量子模擬方法進行量子物態(tài)和量子計算研究的重要進展。相關(guān)成果以長文的形式于北京時間5月3日發(fā)表在國際學術(shù)期刊《科學》上,。
圖1：成果示意圖,。16個非線性“光子盒”陣列囚禁的微波光子強相互作用形成分數(shù)量子反常霍爾態(tài)（注：“光子盒”的名字最早來自1930年愛因斯坦和波爾爭論中提出的思想實驗）。
霍爾效應(yīng)是指當電流通過置于磁場中的材料時,，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方向的電壓。這個效應(yīng)由美國科學家霍爾在1879年發(fā)現(xiàn),，并被廣泛應(yīng)用于電磁感測領(lǐng)域,。1980年，德國科學家馮·克利欽發(fā)現(xiàn)在極低溫和強磁場條件下,，霍爾效應(yīng)出現(xiàn)整數(shù)量子化的電導(dǎo)率平臺,。這一新現(xiàn)象超出了經(jīng)典物理學的描述，被稱為整數(shù)量子霍爾效應(yīng),，它為精確測量電阻提供了標準,。1981年，美籍華裔科學家崔琦和德國科學家施特默發(fā)現(xiàn)了分數(shù)量子霍爾效應(yīng),。整數(shù)和分數(shù)量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)分別獲得1985年和1998年諾貝爾物理學獎,。
此后四十余年間，分數(shù)量子霍爾效應(yīng)尤其受到了廣泛的關(guān)注,。由于最低朗道能級簡并電子的相互作用,，分數(shù)量子霍爾態(tài)展現(xiàn)出非平庸的多體糾纏，對其研究所衍生出的拓撲序,、復(fù)合費米子等理論成果逐漸成為多體物理學的基本模型,。與此同時，分數(shù)量子霍爾態(tài)可激發(fā)出局域的準粒子,，這種準粒子具有奇異的分數(shù)統(tǒng)計和拓撲保護性質(zhì),，有望成為拓撲量子計算的載體。
反?；魻栃?yīng)是指無需外部磁場的情況下觀測到相關(guān)效應(yīng),。2013年，中國研究團隊觀測到整數(shù)量子反?；魻栃?yīng),。2023年，美國和中國的研究團隊分別獨立在雙層轉(zhuǎn)角碲化鉬中觀測到分數(shù)量子反?；魻栃?yīng),。
傳統(tǒng)的量子霍爾效應(yīng)實驗研究采用“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的磁場,，對實驗要求較為苛刻。此外，傳統(tǒng)“自頂而下”的方法難以對系統(tǒng)微觀量子態(tài)進行單點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，實現(xiàn)光子的分數(shù)量子霍爾態(tài)
與之相對地,，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)勢包括：無需外磁場,，通過變換耦合形式即可構(gòu)造出等效人工規(guī)范場；通過對系統(tǒng)進行高精度可尋址的操控,，可實現(xiàn)對高集成度量子系統(tǒng)微觀性質(zhì)的全面測量,，并加以進一步可控的利用。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)典計算困難的量子系統(tǒng)并達到“量子計算優(yōu)越性”。
圖3觀察到分數(shù)量子霍爾態(tài)的拓撲關(guān)聯(lián)和拓撲光子流
此前,，國際上已經(jīng)基于其開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(tǒng)中耦合形式和非線性強度的限制,，人們一直未能在二維晶格中為光子構(gòu)建人工規(guī)范場。
為解決這一重大挑戰(zhàn),，團隊在國際上自主研發(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諧性之間的制約，用更高的非簡諧性提供了光子間更強的排斥作用,。進一步,，團隊通過交流耦合的方式構(gòu)造出作用于光子的等效磁場，使光子繞晶格的流動可積累Berry（貝里）相位,，解決了實現(xiàn)光子分數(shù)量子反?；魻栃?yīng)的兩個關(guān)鍵難題,。同時,，這樣的人造系統(tǒng)具有可尋址、單點位獨立控制和讀取,，以及可編程性強的優(yōu)勢,，為實驗觀測和操縱提供了新的手段。
圖4觀察到準粒子的不可壓縮和分數(shù)霍爾電導(dǎo)
在該項工作中,，研究人員觀測到了分數(shù)量子霍爾態(tài)獨有的拓撲關(guān)聯(lián)性質(zhì),，驗證了該系統(tǒng)的分數(shù)霍爾電導(dǎo)。同時，他們通過引入局域勢場的方法,，跟蹤了準粒子的產(chǎn)生過程,，證實了準粒子的不可壓縮性質(zhì)。
《科學》雜志審稿人高度評價這一工作,，認為這一工作“是利用相互作用光子進行量子模擬的重大進展”（a significant advance in quantum simulation with interacting photons）,，“一種新穎的局域單點控制和自底而上的途徑”（a novel form of local control and bottom-up approach），“有潛力為實現(xiàn)非阿貝爾拓撲態(tài)開辟一條新的途徑,，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）,。
諾貝爾物理學獎得主Frank Wilczek評價，這種“自底而上”,、用人造原子構(gòu)建哈密頓量的途徑是一個“非常有前途的想法”（a very promising idea）,，這是一個令人印象深刻的實驗（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）,。沃爾夫獎獲得者Peter Zoller評價,，“這在科學和技術(shù)上都是一項杰出的成就”（a remarkable achievement, both scientifically and technically,），“實現(xiàn)這樣的目標是多年來全球頂級實驗室競爭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,、國家自然科學基金委,、中國科學院、安徽省和上海市等的支持,。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado3912
（合肥微尺度物質(zhì)科學國家研究中心,、物理學院、中國科學院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院,、科研部）
