基于Plasmonium(等離子體越遷型)的自主研發(fā)，中國科技大學潘建偉、陸朝陽、陳明城教授等采用超導高非簡諧性光學諧振器陣型，完成了光子之間的非線性相互作用，并在此系統(tǒng)中進一步構(gòu)建了作用于光子的等效磁場，在國際上首次實現(xiàn)了光子成績量子異?；魻枒B(tài)。在量子物態(tài)和量子計算探索中，這是利用“自底而上”的量子模擬方法的重要進展。北京時間5月3日，相關(guān)成果在國際學術(shù)期刊《科學》上以長文的形式發(fā)表。五月六日，中國科學院在北京召開成果新聞發(fā)布會。

圖1：結(jié)果示意圖。被囚禁在16個非線性“光子盒”陣型中的微波光子相互作用，形成績效異常的霍爾態(tài)(注:1930年愛因斯坦和波爾爭論中提出的“光子盒”名稱的思想實驗)。

霍爾效應(yīng)是指當電流通過放置在磁場中的材料時，電子受到洛倫茲力的影響，在材料中產(chǎn)生垂直于電流和磁場方向的電壓。1879年，美國科學家霍爾發(fā)現(xiàn)了這一效應(yīng)，并在電磁感應(yīng)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。一九八○年，德國科學家馮·克利欽發(fā)現(xiàn)，在極低的溫度和強磁場環(huán)境下，霍爾效應(yīng)出現(xiàn)了整數(shù)量子電導平臺。這種新現(xiàn)象超出了經(jīng)典物理的描述，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。一九八一年，美籍華裔科學家崔琦和德國科學家施特默發(fā)現(xiàn)了量子霍爾效應(yīng)。1985年和1998年，整數(shù)和分數(shù)量子霍爾效應(yīng)分別獲得諾貝爾物理學獎。

在接下來的40年里，成績量子霍爾效應(yīng)尤其受到廣泛關(guān)注。由于最低朗道能級簡并電子的相互作用，成績量子霍爾態(tài)表現(xiàn)出非凡的多體糾纏，拓撲序、復合費米子等理論成果逐漸成為其研究衍生出來的多體物理的基本模型。同時，成績量子霍爾態(tài)可以激發(fā)局域準粒子，具有奇特的成績統(tǒng)計和拓撲保護特性，有望成為拓撲量子計算的載體。

異?；魻栃?yīng)是指在沒有外部磁場的情況下觀察到相關(guān)效應(yīng)。2013年，中國研究小組觀察到了整數(shù)量子異?；魻栃?yīng)。2023年，美國和中國的研究小組獨立觀察了成績量子異常霍爾效應(yīng)，分別在兩層轉(zhuǎn)角鉬中。

傳統(tǒng)的量子霍爾效應(yīng)實驗研究采用“自上而下”的方法，即在特定材料的基礎(chǔ)上，利用該材料現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)和特性來制備量子霍爾態(tài)。一般情況下，需要極低的溫度，極高的二維材料純度和極強的磁場，對實驗要求較高。此外，傳統(tǒng)的“自上而下”方法很難獨立控制和測量系統(tǒng)的微量子態(tài)，這在一定程度上限制了其在量子信息科學中的應(yīng)用。

圖2：構(gòu)建非線性光子系統(tǒng)中的人工標準場，實現(xiàn)光子成績量子霍爾態(tài)。

相對而言，人工構(gòu)建的量子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，靈活可控，是一種“自底而上”研究復雜量子物態(tài)的新范式。其優(yōu)點包括:無需外磁場，通過轉(zhuǎn)換藕合即可構(gòu)建等效人工標準場；通過對系統(tǒng)進行高精度、可找址的控制，可以全面測量高集成度量子系統(tǒng)的微觀特性，進一步可控應(yīng)用。這一技術(shù)被稱為量子模擬，是“第二次量子革命”的重要組成部分，有望在不久的將來應(yīng)用于模擬經(jīng)典難以計算的量子系統(tǒng)，實現(xiàn)“量子計算優(yōu)勢”。

圖3：觀察量子霍爾態(tài)和拓撲光子流量子霍爾態(tài)的關(guān)聯(lián)。

此前，國際上已經(jīng)開展了一些量子模擬工作，以生成拓撲物態(tài)，研究拓撲性質(zhì)。然而，由于過去系統(tǒng)中藕合方式和非線性強度的限制，人們從未在二維晶格中為光子構(gòu)建過人工標準場。

為了解決這一重大挑戰(zhàn)，團隊在世界范圍內(nèi)獨立開發(fā)并命名了一種新型的超導量子比特Plasmonium，打破了Transmon(傳送子型)量子比特相關(guān)性和非簡諧性之間的主流限制，使光子間更具抵抗力。此外，團隊通過交流蓮藕構(gòu)建了作用于光子的等效磁場，使光子繞晶格的流動能夠積累貝里(貝里)相位，解決了實現(xiàn)光子成績量子異?；魻栃?yīng)的兩個關(guān)鍵問題。與此同時，這種人工系統(tǒng)具有可找址、單點獨立控制和讀取、可編程性強的優(yōu)點，為實驗觀測和操作提供了新的方法。

圖4：在霍爾電導中觀察到準粒子的不可壓縮和成就

在這項工作中，研究人員觀察了成績量子霍爾態(tài)特有的拓撲相關(guān)特征，驗證了系統(tǒng)的成績霍爾電導。同時，他們通過引入局部情況，跟蹤準粒子的生產(chǎn)過程，驗證了準粒子的不可壓縮特性。

《科學》雜志審稿人對這項工作給予了高度評價，認為這項工作“是利用相互作用光子進行量子模擬的重大突破”(a significant advance in quantum simulation with interacting photons)，“一種新穎的局域單點控制和自下而上的方法”(a novel form of local control and bottom-up approach)，他說：“有潛力為實現(xiàn)非阿貝爾拓撲態(tài)開辟新的途徑，傳統(tǒng)的二維電子氣材料使用方法難以檢測”(potentially open new pathways for realizing non-Abelian topological states, which have been extremely challenging to probe in two-dimensional electron gases)。

Frankk諾貝爾物理獲得者 這種“自底而上”的Wilczek評價、利用人工原子構(gòu)建哈密頓量是一種“很有前途的想法”(a very promising idea)，那是一次令人印象深刻的實驗。(a very impressive experiment)，在任意子的基礎(chǔ)上，量子信息處理邁出了重要一步(a remarkable step)。PeterPeter沃爾夫獎獲獎?wù)?Zoller評論說：“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)這一目標是多年來全球頂級實驗室競爭的量子模擬圣杯之一。(one of the holy grails of quantum simulation)。

這篇文章的第一個作者是陳明城、劉豐銘和王珂。這項研究得到了科技部、國家自然科學基金委員會、中國科學院、安徽省和上海市的支持。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado3912

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