中国科学家首次实现光子的反常分数量子霍尔态。图为成果发布现场。（大公文汇网记者刘凝哲 摄）
中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、陈明城教授等利用基于自主研发的Plasmonium（等离子体跃迁型）超导高非简谐性光学谐振器阵列，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，为高效开展更多、更新奇的量子物态研究提供了新路径，助力推进“第二次量子革命”。相关成果以长文的形式于北京时间5月3日发表在国际学术期刊《科学》上。
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。反常霍尔效应是指无需外部磁场的情况下观测到相关效应。2013年，中国研究团队观测到整数量子反常霍尔效应。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效应。
此次成果示意图：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。
注：“光子盒”的名字最早来自1930年爱因斯坦和波尔争论中提出的思想实验。（受访者提供）
传统的量子霍尔效应实验研究採用“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，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。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”研究複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”。
中国科学技术大学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，打破了目前主流的Transmon（传输子型）量子比特相干性与非简谐性之间的制约，用更高的非简谐性提供了光子间更强的排斥作用。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》杂志审稿人高度评价这一工作，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Frank Wilczek评价，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。香港大学讲席教授姚望认为，这是一个“非常强大的量子模拟器”，真的令人兴奋，这个优美的实验设计将产生重大影响。
大公文汇网记者：刘凝哲
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