國際首次，中國科學家實現光子的分數量子反常霍爾態

記者5月6日獲悉，中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽、陳明城教授自主研發並命名了一種新型超導量子比特Plasmonium，在國際上首次實現光子的分數量子反常霍爾態。這是利用「自底而上」的量子模擬方法進行量子物態和量子計算研究的重要進展，相關成果以長文的形式於香港時間5月3日發表在國際學術期刊《科學》上。

成果示意圖。16個非線性「光子盒」陣列囚禁的微波光子強相互作用形成分數量子反常霍爾態（註：「光子盒」的名字最早來自1930年愛恩斯坦和法烏爭論中提出的思想實驗）。中國科學技術大學供圖

分數量子霍爾態可激發準粒子，有望成為拓撲量子計算的載體

霍爾效應是指當電流通過置於磁場中的材料時，電子受到洛倫茲力的作用，在材料內部產生垂直於電流和磁場方向的電壓。這個效應由美國科學家霍爾在1879年發現，並被廣泛應用於電磁感測領域。1980年，德國科學家馮·克利欽發現在極低溫和強磁場條件下，霍爾效應出現整數量子化的電導率平台。這一新現象超出了經典物理學的描述，被稱為整數量子霍爾效應，它為精確測量電阻提供了標準。1981年，美籍華裔科學家崔琦和德國科學家施特默發現了分數量子霍爾效應。整數和分數量子霍爾效應的發現分別獲得1985年和1998年盧保物理學獎。

「整數量子霍爾效應是電子在磁場中相互獨立運動，類似於個人獨舞。分數量子霍爾效應是由於電子的強相互作用，呈現出長程量子糾纏和分數電荷激發，是一種奇異的量子流體，類似於跳舞的時候，別人繞著自己轉圈，自己也繞著其他人轉圈。」中國科學技術大學教授陸朝陽說。

1981年後的四十餘年間，分數量子霍爾效應尤其受到廣泛關注。由於最低朗道能級簡並電子的相互作用，分數量子霍爾態展現出非平庸的多體糾纏，對其進行研究所衍生出的拓撲序、復合費米子等理論成果，逐漸成為多體物理學的基本模型。與此同時，分數量子霍爾態可激發出局域的準粒子，這種準粒子具有奇異的分數統計和拓撲保護性質，有望成為拓撲量子計算的載體。

反常霍爾效應是指無需外部磁場的情況下觀測到相關效應。2013年，中國研究團隊觀測到整數量子反常霍爾效應。2023年，美國和中國的研究團隊分別獨立在雙層轉角碲化鉬中觀測到分數量子反常霍爾效應。

「自底而上」的量子模擬有望達到「量子計算優越性」

傳統的量子霍爾效應實驗研究採用「自頂而下」的方式，即在特定材料的基礎上，利用該材料已有的結構和性質實現製備量子霍爾態。通常情況下，需要極低溫環境、極高的二維材料純淨度和極強的磁場，對實驗要求較為苛刻。此外，傳統「自頂而下」的方法難以對系統微觀量子態進行單點位獨立地操控和測量，一定程度上限制了其在量子信息科學中的應用。

與之相對地，人工搭建的量子系統結構清晰、靈活可控，是一種「自底而上」研究複雜量子物態的新範式。其優勢包括：無需外磁場，通過變換耦合形式即可構造出等效人工規範場；通過對系統進行高精度可尋址的操控，可實現對高集成度量子系統微觀性質的全面測量，並進一步加以可控利用。這類技術被稱為量子模擬，是「第二次量子革命」的重要內容，有望在近期應用於模擬經典計算困難的量子系統並達到「量子計算優越性」。

陸朝陽說，「自頂而下」的方式類似於將一座山鑿成一個房子，「自底而上」是用一塊塊磚頭搭成一個房子，可以獨立控制每一個元素。「這種新途徑發現的新物態和新拓撲比特將進一步用於更容錯的量子計算。」

成果將推動探索容錯能力更強的拓撲量子計算

此前，國際上已經基於其開展了一些合成拓撲物態、研究拓撲性質的量子模擬工作。如何實現光子的分數量子反常霍爾態？

團隊在國際上自主研發並命名了一種新型超導量子比特Plasmonium，提供了光子間更強的排斥作用。進一步，團隊通過交流耦合的方式構造出作用於光子的等效磁場，好似給光子安裝了一種「記憶能力」，讓它在繞圈的過程中記住路徑的相關信息，解決了實現光子分數量子反常霍爾效應的兩個關鍵難題。同時，這樣的人造系統具有可尋址、單點位獨立控制和讀取，以及可編程性強的優勢，為實驗觀測和操縱提供了新的手段。

在該項工作中，研究人員觀測到了分數量子霍爾態獨有的拓撲關聯性質，驗證了該系統的分數霍爾電導。

《科學》雜誌審稿人高度評價這一工作，認為這是「利用相互作用光子進行量子模擬的重大進展」，「有潛力為實現非阿巴爾拓撲態開闢一條新的途徑，這是利用二維電子氣材料的傳統方法很難探測的」。

盧保物理學獎得主Frank Wilczek評價，這種「自底而上」、用人造原子構建哈密頓量的途徑是一個「非常有前途的想法」，這是一個令人印象深刻的實驗，為基於任意子的量子信息處理邁出了重要一步。禾夫獎獲得者Peter Zoller評價稱，「實現這樣的目標是多年來全球頂級實驗室競爭的量子模擬的聖盃之一」。

「以往，大家只是被動觀測分數量子霍爾效應，很難理解其背後的規律。此次我們構造了量子模擬機，是用可控的方式研究這一重要的物理現象。」中國科學院院士、中國科學技術大學教授潘建偉稱，另外，此次成果還將有助於探索容錯能力更強的拓撲量子計算。

新京報記者 張璐

編輯 劉夢婕 校對 劉越