記者從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校潘建偉、陸朝陽(yáng)、陳明城教授等利用基于自主研發(fā)的Plasmonium型超導(dǎo)高非簡(jiǎn)諧性光學(xué)諧振器陣列，實(shí)現(xiàn)了光子間的非線(xiàn)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(chǎng)以構(gòu)造人工規(guī)范場(chǎng)，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了光子的反常分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)。這是利用“自底而上”的量子模擬方法進(jìn)行量子物態(tài)研究的重要進(jìn)展。相關(guān)成果近日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》發(fā)表。
霍爾效應(yīng)是指當(dāng)電流通過(guò)置于磁場(chǎng)中的材料時(shí)，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(chǎng)方向的電壓。這個(gè)效應(yīng)由霍爾在1879年發(fā)現(xiàn)，并被廣泛應(yīng)用于電磁感測(cè)領(lǐng)域。1980年，馮·克利欽發(fā)現(xiàn)在極低溫和強(qiáng)磁場(chǎng)條件下，霍爾效應(yīng)出現(xiàn)整數(shù)量子化的電導(dǎo)率平臺(tái)。這一新現(xiàn)象超出了經(jīng)典物理學(xué)的描述，被稱(chēng)為整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，它為精確測(cè)量電阻提供了標(biāo)準(zhǔn)。1981年，崔琦和施特默發(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(jiǎng)。
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(jí)簡(jiǎn)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(duì)其研究所衍生出的拓?fù)湫?、?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(shí)，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(jì)和拓?fù)浔Ｗo(hù)性質(zhì)，有望成為拓?fù)淞孔佑?jì)算的載體。
反?；魻栃?yīng)是指無(wú)需外部磁場(chǎng)的情況下觀(guān)測(cè)到相關(guān)效應(yīng)。2013年，清華大學(xué)薛其坤及其合作團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)到整數(shù)量子反?；魻栃?yīng)。2023年，華盛頓大學(xué)許曉棟小組和上海交通大學(xué)李聽(tīng)昕、劉曉雪小組分別獨(dú)立在雙層轉(zhuǎn)角MoTe2中觀(guān)測(cè)到反常分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)。
傳統(tǒng)的量子霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)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(shí)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(chǎng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)要求較為苛刻。此外，這種方法缺乏對(duì)系統(tǒng)微觀(guān)量子態(tài)進(jìn)行單點(diǎn)位獨(dú)立操控的手段，一定程度上限制了其在量子信息科學(xué)中的應(yīng)用。
與之相對(duì)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(shì)包括：
無(wú)需外磁場(chǎng)，通過(guò)變換耦合形式即可構(gòu)造出等效人工規(guī)范場(chǎng)；
通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行高精度可尋址的操控，可實(shí)現(xiàn)對(duì)高集成度量子系統(tǒng)微觀(guān)性質(zhì)的全面測(cè)量，并加以進(jìn)一步可控的利用。
這類(lèi)技術(shù)被稱(chēng)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(jì)算困難的量子系統(tǒng)并達(dá)到“量子計(jì)算優(yōu)越性”。
此前，國(guó)際上已經(jīng)基于其開(kāi)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(xiàn)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(chǎng)。
為解決這一重大挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)在國(guó)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量子比特相干性與非簡(jiǎn)諧性之間的制約，用更高的非簡(jiǎn)諧性提供了光子間更強(qiáng)的排斥作用。進(jìn)一步，團(tuán)隊(duì)通過(guò)交流耦合的方式構(gòu)造出作用于光子的等效磁場(chǎng)，使光子繞晶格的流動(dòng)可積累Berry相位，解決了實(shí)現(xiàn)光子分?jǐn)?shù)量子反常霍爾效應(yīng)的兩個(gè)關(guān)鍵難題。同時(shí)，這樣的人造系統(tǒng)具有可尋址、單點(diǎn)位獨(dú)立控制和讀取，以及可編程性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，為實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)和操縱提供了新的手段。
在該項(xiàng)工作中，研究人員觀(guān)測(cè)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(yàn)證了該系統(tǒng)的分?jǐn)?shù)霍爾電導(dǎo)。同時(shí)，他們通過(guò)引入局域勢(shì)場(chǎng)的方法，跟蹤了準(zhǔn)粒子的產(chǎn)生過(guò)程，證實(shí)了準(zhǔn)粒子的不可壓縮性質(zhì)。
《科學(xué)》雜志審稿人高度評(píng)價(jià)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”。
(央視新聞客戶(hù)端 總臺(tái)央視記者 帥俊全 褚爾嘉)