中国科学技术大学首次实现光子的分数量子反常霍尔态
2024/06/17
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图 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
在国家自然科学基金项目（批准号：12322415）等资助下，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、陈明城等利用基于自主研发的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，并构建出作用于光子的等效磁场，进而构造了人工规范场，首次实现了光子的分数量子反常霍尔态。该成果以“相互作用光子的分数量子霍尔态的实现（Realization of fractional quantum Hall state with interacting photons）”为题，于2024年5月3日发表在《科学》（Science）杂志上。文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado3912。
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，并于1998年获得诺贝尔物理学奖。此后四十余年，分数量子霍尔效应受到了广泛关注。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，其衍生出的拓扑序、复合费米子等理论模型逐渐成为多体物理学的基本框架。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。
传统意义上，量子霍尔效应实验均采用“自顶而下”的研究范式。在特定材料体系中，利用已知的结构和物性来实现量子霍尔态。通常情况下，这种研究都需要极低温环境、极高的材料纯净度和极强的磁场，对实验要求较为苛刻。此外，该方法难以对系统微观量子态进行单点位独立地操控和测量，一定程度上限制了其在量子信息科学中的应用。近年来，人工搭建的量子系统具有结构清晰，灵活可控的优势，掀起了一种“自底而上”研究复杂量子物态的新范式。该系统无需外磁场，仅通过变换耦合形式即可构造出等效人工规范场，同时该系统适用于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。
在本工作中，研究团队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（传输子型）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。研究团队通过交流耦合的方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，实现了光子分数量子反常霍尔效应。这种人造系统具有可寻址、单点位独立控制和读取，以及可编程性强的优势，为实验观测和操纵提供了全新手段。此外，研究团队在该系统中观测到了分数量子霍尔态独有的拓扑关联性质，进一步验证了该系统具有分数霍尔电导。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。
光子分数量子反常霍尔态的实现为开展量子领域相关研究提供了优质的研究平台，有望实现对高集成度量子系统微观性质的全面测量和可控利用。在中国科学院的视频采访中，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。他认为这种“自底而上”的途径是一个“非常前瞻性的想法”，这个工作为基于任意子的量子信息处理迈出了重要一步。
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