中国科学技术大学教授潘建伟、陆朝阳、陈明城等科研人员，实现了光子间的非线性相互作用，并进一步在此系统中构建出作用于光子的等效磁场以构造人工规范场，在国际上首次实现了光子的分数量子反常霍尔态。这是利用“自底而上”的量子模拟方法进行量子物态和量子计算研究的重要进展。相关成果近日以长文的形式发表在《科学》，5月6日，中国科学院举行“首次实现光子的分数量子反常霍尔态”新闻发布会。
成果示意图，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
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。它是由美国科学家霍尔在1879年发现的，并被广泛应用于电磁感测领域。
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。通常情况下，其需要极低温环境、极高的二维材料纯净度和极强的磁场，对实验要求较为苛刻，也难以对系统微观量子态进行单点位独立地操控和测量。与之相对地，人工搭建的量子系统结构清晰，灵活可控，是一种“自底而上”研究复杂量子物态的新范式。这类技术被称为量子模拟，是“第二次量子革命”的重要内容，有望在近期应用于模拟经典计算困难的量子系统并达到“量子计算优越性”。
此前，国际上已经基于其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。为解决这一挑战，团队在国际上自主研发并命名了一种新型超导量子比特Plasmonium（等离子体跃迁型），并进一步通过交流耦合的方式构造出作用于光子的等效磁场，使光子绕晶格的流动可积累贝里相位，解决了实现光子分数量子反常霍尔效应的两个关键难题。同时，这样的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的手段。
在该项工作中，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。
《科学》杂志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”，“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”。诺贝尔物理学奖得主弗朗克·维尔切克（Frank Wilczek）表示，这种“自底而上”、用人造原子构建哈密顿量的途径是一个“非常有前途的想法”，为基于任意子的量子信息处理迈出了重要一步。
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