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
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本文转自：中新网
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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�*%%*，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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