潘建伟团队在国际上首次实现光子的分数量子反常霍尔态

5月6日，中国科学院在京召开新闻发布会，利用“自底而上”的量子模拟方法，中国科学技术大学潘建伟院士团队在国际上首次实现光子的分数量子反常霍尔态。这是量子物理学和量子信息科学领域的一个重要进展。相关研究成果在线发表于《科学》杂志。

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。这个效应由美国科学家霍尔在1879年发现，并被广泛应用于电磁感测领域。反常霍尔效应是指在没有外部磁场的情况下观测到相关效应。

成果示意图

在传统的量子霍尔效应研究中，采用的是“自顶而下”的方法，这通常意味着研究者从已经存在的材料出发，利用这些材料的固有结构和性质来实现量子霍尔态。这种方法需要特定的条件，比如极低温环境、高纯度的二维材料和强磁场，这些条件往往很难满足，且对实验的控制和操作有限制。

与之相对，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。“这种方法的优势在于它提供了更高的灵活性和可控性，研究者可以精确地控制每一个组件，从而更好地理解和操纵量子系统。”论文共同通讯作者、中国科学技术大学教授陆朝阳说，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”。

“通俗来说，如果把量子霍尔效应比作一座房子，‘自顶而下’的方法就像是在现有的房子基础上进行装修和改造，而‘自底而上’的方法则是从一块砖、一片瓦开始，完全按照设计图纸重新建造一座房子。”陆朝阳形象地说。

在非线性光子系统中构建人工规范场，实现光子的分数量子霍尔态。

此次，研究团队利用自主研发的一种新型超导量子比特Plasmonium，成功实现光子间的非线性相互作用，并进一步构建出作用于光子的等效磁场以构造人工规范场，从而在国际上首次实现了光子的分数量子反常霍尔态。

诺贝尔物理学奖得主弗兰克·维尔切克对这项研究给予了高度评价。他说：“这种‘自底而上’的途径是一个‘非常有前途的想法’，这是一个令人印象深刻的实验，为基于任意子的量子信息处理迈出了重要一步。”

相关链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado3912