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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�**#%@。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�*#*@@,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)