我國學者首次實現光子的分數量子反常霍爾態

圖 在非線性光子系統中構建人工規范場，實現光子的分數量子霍爾態

　　在國家自然科學基金項目（批準號：12322415）等資助下，中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽、陳明城等利用基于自主研發的等離子體躍遷型超導高非簡諧性光學諧振器陣列，實現了光子間的非線性相互作用，并構建出作用于光子的等效磁場，進而構造了人工規范場，首次實現了光子的分數量子反常霍爾態。該成果以“相互作用光子的分數量子霍爾態的實現（Realization of fractional quantum Hall state with interacting photons）”為題，于2024年5月3日發表在《科學》（Science）雜志上。文章鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado3912。

　　1981年，美籍華裔科學家崔琦和德國科學家施特默發現了分數量子霍爾效應，并于1998年獲得諾貝爾物理學獎。此后四十余年，分數量子霍爾效應受到了廣泛關注。由于最低朗道能級簡并電子的相互作用，分數量子霍爾態展現出非平庸的多體糾纏，其衍生出的拓撲序、復合費米子等理論模型逐漸成為多體物理學的基本框架。與此同時，分數量子霍爾態可激發出局域的準粒子，這種準粒子具有奇異的分數統計和拓撲保護性質，有望成為拓撲量子計算的載體。

　　傳統意義上，量子霍爾效應實驗均采用“自頂而下”的研究范式。在特定材料體系中，利用已知的結構和物性來實現量子霍爾態。通常情況下，這種研究都需要極低溫環境、極高的材料純凈度和極強的磁場，對實驗要求較為苛刻。此外，該方法難以對系統微觀量子態進行單點位獨立地操控和測量，一定程度上限制了其在量子信息科學中的應用。近年來，人工搭建的量子系統具有結構清晰，靈活可控的優勢，掀起了一種“自底而上”研究復雜量子物態的新范式。該系統無需外磁場，僅通過變換耦合形式即可構造出等效人工規范場，同時該系統適用于高精度可尋址的操控，可實現對高集成度量子系統微觀性質的全面測量。

　　在本工作中，研究團隊自主研發并命名了一種新型超導量子比特Plasmonium，打破了目前主流的Transmon（傳輸子型）量子比特相干性與非簡諧性之間的制約，用更高的非簡諧性提供了光子間更強的排斥作用。研究團隊通過交流耦合的方式構造出作用于光子的等效磁場，使光子繞晶格的流動可積累Berry（貝里）相位，實現了光子分數量子反常霍爾效應。這種人造系統具有可尋址、單點位獨立控制和讀取，以及可編程性強的優勢，為實驗觀測和操縱提供了全新手段。此外，研究團隊在該系統中觀測到了分數量子霍爾態獨有的拓撲關聯性質，進一步驗證了該系統具有分數霍爾電導。同時，他們通過引入局域勢場的方法，跟蹤了準粒子的產生過程，證實了準粒子的不可壓縮性質。

　　光子分數量子反常霍爾態的實現為開展量子領域相關研究提供了優質的研究平臺，有望實現對高集成度量子系統微觀性質的全面測量和可控利用。在中國科學院的視頻采訪中，諾貝爾物理學獎得主弗蘭克·維爾切克對這項研究給予了高度評價。他認為這種“自底而上”的途徑是一個“非常前瞻性的想法”，這個工作為基于任意子的量子信息處理邁出了重要一步。