记者从中国科学院获悉：中国科学技术大学潘建伟、陆向阳、陈明城教授等人利用基于自主研发的Plasmonium（等离子体跃迁型）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场，在国际上第壹次实现了光子的分数量子反常霍尔态。这是利用“自底而上”的量子模拟方法进行量子物态和量子计算研究的重要进展。相关成果以长文的形式于北京时间5月3日发表在国际学术期刊《科学》上。
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，在材料内部发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。1980年，德国科学家冯·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，它为精确丈量电阻提供了标准。1981年，美籍华裔科学家崔琦和德国科学家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。
尔后四十余年间，分数量子霍尔效应尤其受到了广泛的重视。由于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景下观测到相关效应。2013年，中国研究团队观测到整数量子反常霍尔效应。2023年，美国和我国的研究团队分别独立在双层转角碲化钼中观测到分数量子反常霍尔效应。
以往的量子霍尔效应实验研究采用“自顶而下”的形式，即在特定材料的条件上，利用该材料已经有的结构和性质实现制备量子霍尔态。通常情境下，需要极低温环境、极高的二维材料纯净度和极强的磁场，对实验要求较为苛刻。另外，传统“自顶而下”的要领难以对系统微观量子态进行单点位独立地操控和丈量，一定水平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。其优势包含：无需外磁场，通过变换耦合形式即可构造出等效人工规范场；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丈量，并加以进一步可控的利用。该类技术被称为量子模拟，是“第贰次量子革命”的重要内容，有望在最近应用于模拟经典计算艰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点合成拓扑物态、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制约，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，打破了目前流行的Transmon（传输子型）量子比特相干性与非简谐性之间的约束，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形式构造出作用于光子的等效磁场，使光子绕晶格的流动可积累Berry（贝里）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取，和可编程性强的优势，为实验观测和操作提供了新的行径。在该项工作中，科研人员观测到了分数量子霍尔态独有的拓扑关联性质，验证了该全面的分数霍尔电导。同时，他们通过引入局域势场的要领，跟踪了准粒子的发生过程，证实了准粒子的不可压缩性质。
《科学》杂志审稿人高度肯定这一工作，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。
诺贝尔物理学奖得主Frank Wilczek评价，这种“自底而上”、用人造原子构建哈密顿量的渠道是一个非常有前途的思路，为基于任意子的量子信息处理迈出了重要一步。（经济日报记者沈慧）