重大进展！我国科学家首次实现光子的反常分数量子霍尔态
2024-05-06 13:53:07
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记者从中国科学技术大学获悉*#*%%，该校潘建伟、陆朝阳、陈明城教授等利用基于自主研发的Plasmonium型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�**#。诠噬鲜状问迪至斯庾拥姆闯７质孔踊舳�**%%。这是利用“自底而上”的量子模拟方法进行量子物态研究的重要进展*#*。相关成果近日在国际学术期刊《科学》发表@*%@。
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%#*#@。这个效应由霍尔在1879年发现@%%#%，并被广泛应用于电磁感测领域#@。1980年#@*，冯克利钦发现在极低温和强磁场条件下#%，霍尔效应出现整数量子化的电导率平台@@@。这一新现象超出了经典物理学的描述*%#，被称为整数量子霍尔效应%*#@，它为精确测量电阻提供了标准@%%#%。1981年*#，崔琦和施特默发现了分数量子霍尔效应*#。整数和分数量子霍尔效应的发现分别获得1985年和1998年诺贝尔物理学奖%#%@。
此后四十余年间##@%，分数量子霍尔效应尤其受到了广泛的关注%***。由于最低朗道能级简并电子的相互作用**#@%，分数量子霍尔态展现出非平庸的多体纠缠*#，对其研究所衍生出的拓扑序、复合费米子等理论成果逐渐成为多体物理学的基本模型*%。与此同时###@%，分数量子霍尔态可激发出局域的准粒子*%%@%，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的载体*@。
反常霍尔效应是指无需外部磁场的情况下观测到相关效应*@%#%。2013年%*，清华大学薛其坤及其合作团队实验观测到整数量子反常霍尔效应%#**%。2023年*@，华盛顿大学许晓栋小组和上海交通大学李听昕、刘晓雪小组分别独立在双层转角MoTe2中观测到反常分数量子霍尔效应@%%@。
传统的量子霍尔效应实验研究采用“自顶而下”的方式%#，即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%*#@，需要极低温环境、极高的二维材料纯净度和极强的磁矦%。允笛橐蠼衔量�##%。此外#*%#，这种方法缺乏对系统微观量子态进行单点位独立操控的手段*%，一定程度上限制了其在量子信息科学中的应用%*@。
与之相对地%#@，人工搭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*@@*。其优势包括：
无需外磁�%%@@@。ü浠获詈闲问郊纯晒乖斐龅刃斯す娣冻*%。�
通过对系统进行高精度可寻址的操控%*@，可实现对高集成度量子系统微观性质的全面测量*#**，并加以进一步可控的利用##%。
这类技术被称为量子模拟@@@*，是“第二次量子革命”的重要内容%@*%@，有望在近期应用于模拟经典计算困难的量子系统并达到“量子计算优越性”**。
此前#*，国际上已经基于其开展了一些合成拓扑物态、研究拓扑性质的量子模拟工作#%**。然而%%%*#，由于以往系统中耦合形式和非线性强度的限制*#%*@，人们一直未能在二维晶格中为光子构建人工规范场@#。
为解决这一重大挑战@@%，团队在国际上自主研发并命名了一种新型超导量子比特Plasmonium@@#，打破了目前主流的Transmon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**@。进一步**%#，团队通过交流耦合的方式构造出作用于光子的等效磁�*##@。构庾尤凭Ц竦牧鞫苫跙erry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*#。同时@%，这样的人造系统具有可寻址、单点位独立控制和读�#%*#。约翱杀喑绦郧康挠攀艪%%@*，为实验观测和操纵提供了新的手段@@#。
在该项工作中##，研究人员观测到了分数量子霍尔态独有的拓扑关联性质**#@，验证了该系统的分数霍尔电导**%。同时%*#%#，他们通过引入局域势场的方法#@%##，跟踪了准粒子的产生过程@%%，证实了准粒子的不可压缩性质#@*%%。
《科学》杂志审稿人高度评价这一工作#@##，认为这一工作“是利用相互作用光子进行量子模拟的重大进展”@*。
(央视新闻客户端 总台央视记者 帅俊全 褚尔嘉)
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