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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�%*%%#。允笛橐蠼衔量藹*@。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)
