重大突破！我國(guó)科學(xué)家首次實(shí)現(xiàn)光子的分?jǐn)?shù)量子反?；魻枒B(tài)

量子模擬實(shí)驗(yàn)有了重大突破。中國(guó)科學(xué)院6日在京召開(kāi)新聞發(fā)布會(huì)，記者從發(fā)布會(huì)上獲悉，利用“自底而上”的量子模擬方法，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)光子的分?jǐn)?shù)量子反常霍爾態(tài)。這是量子物理學(xué)和量子信息科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《科學(xué)》雜志。 

成果示意圖

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)由美國(guó)科學(xué)家霍爾在1879年發(fā)現(xiàn)，并被廣泛應(yīng)用于電磁感測(cè)領(lǐng)域。反?；魻栃?yīng)是指在沒(méi)有外部磁場(chǎng)的情況下觀測(cè)到相關(guān)效應(yīng)。

在傳統(tǒng)的量子霍爾效應(yīng)研究中，采用的是“自頂而下”的方法，這通常意味著研究者從已經(jīng)存在的材料出發(fā)，利用這些材料的固有結(jié)構(gòu)和性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)量子霍爾態(tài)。這種方法需要特定的條件，比如極低溫環(huán)境、高純度的二維材料和強(qiáng)磁場(chǎng)，這些條件往往很難滿足，且對(duì)實(shí)驗(yàn)的控制和操作有限制。

與之相對(duì)，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?！斑@種方法的優(yōu)勢(shì)在于它提供了更高的靈活性和可控性，研究者可以精確地控制每一個(gè)組件，從而更好地理解和操縱量子系統(tǒng)?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡?、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陸朝陽(yáng)說(shuō)，這類技術(shù)被稱為量子模擬，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”。

“通俗來(lái)說(shuō)，如果把量子霍爾效應(yīng)比作一座房子，‘自頂而下’的方法就像是在現(xiàn)有的房子基礎(chǔ)上進(jìn)行裝修和改造，而‘自底而上’的方法則是從一塊磚、一片瓦開(kāi)始，完全按照設(shè)計(jì)圖紙重新建造一座房子。”陸朝陽(yáng)形象地說(shuō)。 

在非線性光子系統(tǒng)中構(gòu)建人工規(guī)范場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)光子的分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)

此次，研究團(tuán)隊(duì)利用自主研發(fā)的一種新型超導(dǎo)量子比特Plasmonium，成功實(shí)現(xiàn)光子間的非線性相互作用，并進(jìn)一步構(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)，從而在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了光子的分?jǐn)?shù)量子反常霍爾態(tài)。

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主弗蘭克·維爾切克對(duì)這項(xiàng)研究給予了高度評(píng)價(jià)。他說(shuō)：“這種‘自底而上’的途徑是一個(gè)‘非常有前途的想法’，這是一個(gè)令人印象深刻的實(shí)驗(yàn)，為基于任意子的量子信息處理邁出了重要一步?！?/span>

（科技日?qǐng)?bào)記者 陸成寬 吳長(zhǎng)鋒 中國(guó)科學(xué)院供圖）