光子的分数量子反常霍尔态首次实现

  【科技前沿】 

  本报讯（记者齐芳、丁一鸣）记者5月6日从中国科学院获悉，中国科学技术大学潘建伟院士团队利用“自底而上”的量子模拟方法，在国际上首次实现了光子的分数量子反常霍尔态。相关成果发表在国际学术期刊《科学》上，是量子物态和量子计算研究的重要进展。

  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，被广泛用于电磁感测领域。霍尔效应分为整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应，其中分数量子霍尔效应不仅是量子理论的重要基石，也因其可激发出局域的准粒子而备受关注。这种准粒子具有奇异的分数统计和拓扑保护性质，有望成为拓扑量子计算，也就是量子计算机的载体。

  反常霍尔效应是指不需要外部磁场即可观测到相关效应。过去十几年间，整数量子反常霍尔效应和分数量子反常霍尔效应相继被科学家观测到。“但这类观测往往采用‘自顶而下’的方式，就是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，对实验要求较为苛刻。同时，这样制备出来的量子霍尔态，难以对系统微观量子态进行单点位独立操控和测量，一定程度上限制了其在量子信息科学中的应用。”潘建伟表示。

  研究团队此次“自底而上”搭建出量子系统，实现了光子的分数量子反常霍尔态。他们在国际上自主研发并命名了一种新型超导量子比特等离子体跃迁型，打破了目前主流的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。在此基础之上，他们构建了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，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。

  “这种新范式结构清晰、灵活可控，既无需外磁场，又能实现对高集成度量子系统微观性质的全面测量和可控利用。”中国科学技术大学教授陆朝阳介绍。

  诺贝尔物理学奖得主弗朗克·维尔切克评价：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。

  潘建伟说：“这项成果不仅推进了我们对量子霍尔效应，特别是分数量子霍尔效应的理解，也为未来探索容错能力更强的量子计算机提供了新思路。”