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 12:42:02
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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)
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