中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(xué)諧振器陣列，實現(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以構(gòu)造人工規(guī)范場，在國際上首次實現(xiàn)了光子的分?jǐn)?shù)量子反常霍爾態(tài)。這是利用“自底而上”的量子模擬方法進(jìn)行量子物態(tài)和量子計算研究的重要進(jìn)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(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》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(qiáng)相互作用形成分?jǐn)?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(dāng)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(xué)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(xué)家馮·克利欽發(fā)現(xiàn)在極低溫和強(qiáng)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(xué)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(biāo)準(zhǔn)。1981年，美籍華裔科學(xué)家崔琦和德國科學(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。
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。由于最低朗道能級簡并電子的相互作用，分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)展現(xiàn)出非平庸的多體糾纏，對其研究所衍生出的拓?fù)湫颉?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，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)計和拓?fù)浔Ｗo(hù)性質(zhì)，有望成為拓?fù)淞孔佑嬎愕妮d體。
反常霍爾效應(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(tuán)隊觀測到整數(shù)量子反常霍爾效應(yīng)。2023年，美國和中國的研究團(tuán)隊分別獨(dú)立在雙層轉(zhuǎn)角碲化鉬中觀測到分?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(qiáng)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(jìn)行單點位獨(dú)立地操控和測量，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，實現(xiàn)光子的分?jǐn)?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(jìn)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(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)典計算困難的量子系統(tǒng)并達(dá)到“量子計算優(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?/span>
此前，國際上已經(jīng)基于其開展了一些合成拓?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。
為解決這一重大挑戰(zhàn)，團(tuán)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(qiáng)的排斥作用。進(jìn)一步，團(tuán)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?jǐn)?shù)量子反常霍爾效應(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(dú)立控制和讀取，以及可編程性強(qiáng)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(zhǔn)粒子的不可壓縮和分?jǐn)?shù)霍爾電導(dǎo)
在該項工作中，研究人員觀測到了分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)獨(dú)有的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)性質(zhì)，驗證了該系統(tǒng)的分?jǐn)?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(zhǔn)粒子的產(chǎn)生過程，證實了準(zhǔn)粒子的不可壓縮性質(zhì)。
《科學(xué)》雜志審稿人高度評價這一工作，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?fù)鋺B(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(xué)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(xué)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(biāo)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(xué)基金委、中國科學(xué)院、安徽省和上海市等的支持。
