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 13:02:43 | 来源：GG之家
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本文转自：中新网

东西问·中外对话｜为何说朔尔茨访华，是“明智的选择”？

　　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珸%*%@。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：

　　无需外磁矦*。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�##@#%，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)

【编辑:梁异】


　　

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