中國科大首次實現(xiàn)光子的分數(shù)量子反常霍爾態(tài)

來源：環(huán)球網(wǎng)

【環(huán)球網(wǎng)科技綜合報道】5月6日消息，中國科學技術大學潘建偉、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)中構建出作用于光子的等效磁場以構造人工規(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)。

據(jù)悉，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)表在國際學術期刊《科學》上。

資料顯示，霍爾效應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，在材料內部產(chǎn)生垂直于電流和磁場方向的電壓。傳統(tǒng)的量子霍爾效應實驗研究采用“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用。

與之相對地，人工搭建的量子系統(tǒng)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：無需外磁場，通過變換耦合形式即可構造出等效人工規(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)微觀性質的全面測量，并加以進一步可控的利用。這類技術被稱為量子模擬，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(tǒng)并達到“量子計算優(yōu)越性”。

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建人工規(guī)范場。

為解決這一重大挑戰(zhàn)，上述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膬蓚€關鍵難題。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。

據(jù)了解，在該項工作中，研究人員觀測到了分數(shù)量子霍爾態(tài)獨有的拓撲關聯(lián)性質，驗證了該系統(tǒng)的分數(shù)霍爾電導。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。

對此，《科學》雜志認為，“這一工作是利用相互作用光子進行量子模擬的重大進展，是一種新穎的局域單點控制和自底而上的途徑，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?！?/p>