中国科技大学首次实现光子成绩量子异常霍尔态

基于Plasmonium(等离子体越迁型)的自主研发，中国科技大学潘建伟、陆朝阳、陈明城教授等采用超导高非简谐性光学谐振器阵型，完成了光子之间的非线性相互作用，并在此系统中进一步构建了作用于光子的等效磁场，在国际上首次实现了光子成绩量子异常霍尔态。在量子物态和量子计算探索中，这是利用“自底而上”的量子模拟方法的重要进展。北京时间5月3日，相关成果在国际学术期刊《科学》上以长文的形式发表。五月六日，中国科学院在北京召开成果新闻发布会。

图1：结果示意图。被囚禁在16个非线性“光子盒”阵型中的微波光子相互作用，形成绩效异常的霍尔态(注:1930年爱因斯坦和波尔争论中提出的“光子盒”名称的思想实验)。

霍尔效应是指当电流通过放置在磁场中的材料时，电子受到洛伦兹力的影响，在材料中产生垂直于电流和磁场方向的电压。1879年，美国科学家霍尔发现了这一效应，并在电磁感应领域得到了广泛的应用。一九八○年，德国科学家冯·克利钦发现，在极低的温度和强磁场环境下，霍尔效应出现了整数量子电导平台。这种新现象超出了经典物理的描述，被称为整数量子霍尔效应，它为精确测量电阻提供了标准。一九八一年，美籍华裔科学家崔琦和德国科学家施特默发现了量子霍尔效应。1985年和1998年，整数和分数量子霍尔效应分别获得诺贝尔物理学奖。

在接下来的40年里，成绩量子霍尔效应尤其受到广泛关注。由于最低朗道能级简并电子的相互作用，成绩量子霍尔态表现出非凡的多体纠缠，拓扑序、复合费米子等理论成果逐渐成为其研究衍生出来的多体物理的基本模型。同时，成绩量子霍尔态可以激发局域准粒子，具有奇特的成绩统计和拓扑保护特性，有望成为拓扑量子计算的载体。

异常霍尔效应是指在没有外部磁场的情况下观察到相关效应。2013年，中国研究小组观察到了整数量子异常霍尔效应。2023年，美国和中国的研究小组独立观察了成绩量子异常霍尔效应，分别在两层转角钼中。

传统的量子霍尔效应实验研究采用“自上而下”的方法，即在特定材料的基础上，利用该材料现有的结构和特性来制备量子霍尔态。一般情况下，需要极低的温度，极高的二维材料纯度和极强的磁场，对实验要求较高。此外，传统的“自上而下”方法很难独立控制和测量系统的微量子态，这在一定程度上限制了其在量子信息科学中的应用。

图2：构建非线性光子系统中的人工标准场，实现光子成绩量子霍尔态。

相对而言，人工构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。其优点包括:无需外磁场，通过转换藕合即可构建等效人工标准场；通过对系统进行高精度、可找址的控制，可以全面测量高集成度量子系统的微观特性，进一步可控应用。这一技术被称为量子模拟，是“第二次量子革命”的重要组成部分，有望在不久的将来应用于模拟经典难以计算的量子系统，实现“量子计算优势”。

图3：观察量子霍尔态和拓扑光子流量子霍尔态的关联。

此前，国际上已经开展了一些量子模拟工作，以生成拓扑物态，研究拓扑性质。然而，由于过去系统中藕合方式和非线性强度的限制，人们从未在二维晶格中为光子构建过人工标准场。

为了解决这一重大挑战，团队在世界范围内独立开发并命名了一种新型的超导量子比特Plasmonium，打破了Transmon(传送子型)量子比特相关性和非简谐性之间的主流限制，使光子间更具抵抗力。此外，团队通过交流莲藕构建了作用于光子的等效磁场，使光子绕晶格的流动能够积累贝里(贝里)相位，解决了实现光子成绩量子异常霍尔效应的两个关键问题。与此同时，这种人工系统具有可找址、单点独立控制和读取、可编程性强的优点，为实验观测和操作提供了新的方法。

图4：在霍尔电导中观察到准粒子的不可压缩和成就

在这项工作中，研究人员观察了成绩量子霍尔态特有的拓扑相关特征，验证了系统的成绩霍尔电导。同时，他们通过引入局部情况，跟踪准粒子的生产过程，验证了准粒子的不可压缩特性。

《科学》杂志审稿人对这项工作给予了高度评价，认为这项工作“是利用相互作用光子进行量子模拟的重大突破”(a significant advance in quantum simulation with interacting photons)，“一种新颖的局域单点控制和自下而上的方法”(a novel form of local control and bottom-up approach)，他说：“有潜力为实现非阿贝尔拓扑态开辟新的途径，传统的二维电子气材料使用方法难以检测”(potentially open new pathways for realizing non-Abelian topological states, which have been extremely challenging to probe in two-dimensional electron gases)。

Frankk诺贝尔物理获得者 这种“自底而上”的Wilczek评价、利用人工原子构建哈密顿量是一种“很有前途的想法”(a very promising idea)，那是一次令人印象深刻的实验。(a very impressive experiment)，在任意子的基础上，量子信息处理迈出了重要一步(a remarkable step)。PeterPeter沃尔夫奖获奖者 Zoller评论说：“这在科学和技术上都是一项杰出的成就。(a remarkable achievement, both scientifically and technically,)，实现这一目标是多年来全球顶级实验室竞争的量子模拟圣杯之一。(one of the holy grails of quantum simulation)。

这篇文章的第一个作者是陈明城、刘丰铭和王珂。这项研究得到了科技部、国家自然科学基金委员会、中国科学院、安徽省和上海市的支持。

论文链接：

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

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