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示意图。受访者供图
5月6日，中国科学技术大学（以下简称中国科大）研究团队在京发布新成果。他们将自主研发的“光子盒”排布成阵列，在国际上首次实现了基于光子的分数量子反常霍尔态，为物理学家创造出一种研究分数量子霍尔效应的新平台。相关研究成果近日发表于《科学》。
论文通讯作者、中国科大教授潘建伟院士介绍，该成果是量子模拟技术的重要突破，将很快用于模拟量子系统，推动量子物理研究和量子计算的发展。
《科学》审稿人认为这一工作“是利用相互作用光子进行量子模拟的重大进展”。诺贝尔物理学奖得主、美国麻省理工学院教授弗朗克·维尔切克将其评价为“一个非常有前途的想法”，“向基于准粒子的量子信息处理迈出了重要一步”。
分数量子霍尔效应：
量子计算走向实用的关键课题
随着量子计算发展的速度和热度不断提升，分数量子霍尔效应研究成为全球顶级实验室竞相追逐的热点。
之所以如此，是因为分数量子霍尔态可以激发出局域的准粒子。这种准粒子具有奇异的分数统计和拓扑保护性质，有望成为拓扑量子计算的载体。而拓扑量子计算有更大的容错能力，能够突破传统量子计算走向实用过程中的容错能力困境。
量子霍尔效应和量子反常霍尔效应是人类百年来一直研究的问题。
“霍尔效应”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。这个效应由美国科学家霍尔在1879年发现，被广泛应用于电磁感测领域。
“反常霍尔效应”则是指在没有外部磁场的情况下能观察到的类似于霍尔效应的现象。
1980年，德国科学家克劳斯·冯·克利钦发现在极低温和强磁场条件下，霍尔态的电导率曲线总是在整数位置出现一条稳定的平线。这被称为“整数量子霍尔效应”，为精确测量电阻提供了标准。1981年，美籍华裔科学家崔琦和德国科学家霍斯特·施特默又发现了分数量子霍尔效应。这两项发现分别获得1985年和1998年诺贝尔物理学奖。
此后40余年间，分数量子霍尔效应研究受到了广泛关注。对分数量子霍尔态的研究，已经衍生出了拓扑序、复合费米子等理论成果，并逐渐成为多体物理学的基本模型。
2013年，中国研究团队在无磁场的情况下观测到了整数量子反常霍尔态。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态。
操控量子系统之梦：
能不能“随心所欲”做研究
要研究分数量子霍尔效应，首先要制备出分数量子霍尔态。
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，并对量子霍尔态进行研究。
“传统‘自顶而下’的方式的优势在于可以在自然界找到相应的材料。但通常情况下，开展研究时需要极低温环境、极高的二维材料纯净度和极强的磁场，实验要求较为苛刻。此外，该方法难以对系统微观量子态进行单点位独立操控和测量。”潘建伟说。
一直以来，科学家们都想走一条“自底而上”的路。毕竟，在量子计算的国际科技竞争中，谁能尽早掌握人工搭建量子系统的方法，谁就有可能以更快的速度赢得“比赛”。
“‘自顶而下’就像有一座山，我们要在山里凿洞做房子，受现实条件约束，不能随心所欲。‘自底而上’好比我们用砖块盖房子，可以按照自己的意愿来盖。”论文通讯作者、中国科大教授陆朝阳说。
潘建伟介绍，人工搭建的量子系统结构清晰、灵活可控，是一种研究复杂量子物态的新范式。其优势在于，无需外磁场，通过变换耦合形式即可构造出等效人工规范场；通过对系统进行高精度可寻址的操控，可实现对高集成度量子系统微观性质的全面测量和可控利用。
“这类技术被称为量子模拟，是第二次量子革命的重要内容。”潘建伟说。
此前，国际上已经基于此开展了一些合成拓扑物态、研究拓扑性质的量子模拟工作。“然而，由于以往系统中耦合形式和非线性强度的限制，人们一直未能在二维晶格中为光子构建人工规范场。”陆朝阳说。
用光子模拟出量子态：
全新的量子实验平台
在量子模拟技术方面，潘建伟等人选择了一条与众不同的赛道——用光子模拟电子以实现分数量子反常霍尔态。
第一步，将光子囚禁到“盒子”里。团队在国际上自主研发和命名了一种俗称“光子盒”的新型超导量子比特，将其排布为4×4的晶格阵列，并为光子提供更强的相互排斥作用，以模拟电子之间的库仑相互作用。
第二步，让光子在“光子盒”间“跳舞”。团队通过交流耦合的方式，构造出作用于光子的等效磁场，使光子绕晶格流动。“这个过程就像让光子有了一种‘记忆能力’，让它们在绕圈圈的过程中记住自己的路径相关信息。”陆朝阳说。
这两步是用光子模拟分子量子霍尔态的关键难题。走完这两步后，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。
“人造系统具有可寻址、单点位独立控制和读取，以及可编程性强的优势，为实验观测和操纵提供了新手段。”陆朝阳说。
对于这项研究，《科学》审稿人认为，这是“一种新颖的局域单点控制和自底而上的途径”，“有潜力为实现非阿贝尔拓扑态开辟一条新的途径，这是利用二维电子气材料的传统方法很难探测的”。
沃尔夫物理学奖获得者彼得·佐勒评价：“这在科学和技术上都是一项杰出的成就……实现这样的目标是多年来全球顶级实验室竞争的量子模拟的‘圣杯’之一。”
潘建伟表示，下一步，团队一方面将研制专用量子模拟机，用可控的方式构建分数量子霍尔态，以理解分数量子霍尔效应；另一方面，将在未来一两年内用分数量子霍尔态激发出准粒子，并探索研制具有更高容错能力的拓扑量子计算机。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1126/science.ado3912
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