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　　中國(guo)科學(xue)(xue)技術(shu)大學(xue)(xue)潘建(jian)偉、陸朝陽、陳明城教(jiao)授等(deng)利(li)用基(ji)于(yu)自主研發的Plasmonium(等(deng)離子(zi)(zi)體躍遷型)超導高(gao)非簡諧(xie)(xie)性光學(xue)(xue)諧(xie)(xie)振器陣(zhen)列，實(shi)現(xian)了光子(zi)(zi)間(jian)的非線(xian)性相(xiang)互作(zuo)用，并進(jin)一(yi)步(bu)在(zai)此系統中構(gou)建(jian)出作(zuo)用于(yu)光子(zi)(zi)的等(deng)效(xiao)磁場以(yi)構(gou)造(zao)人工規范場，在(zai)國(guo)際(ji)上首次實(shi)現(xian)了光子(zi)(zi)的分數量(liang)子(zi)(zi)反常霍爾態。這是利(li)用“自底而上”的量(liang)子(zi)(zi)模擬方法進(jin)行(xing)量(liang)子(zi)(zi)物態和(he)量(liang)子(zi)(zi)計算研究的重要(yao)進(jin)展。相(xiang)關成果以(yi)長文的形式于(yu)北(bei)京時間(jian)5月3日發表在(zai)國(guo)際(ji)學(xue)(xue)術(shu)期刊《科學(xue)(xue)》上。5月6日，中國(guo)科學(xue)(xue)院在(zai)北(bei)京召開成果新聞發布會。

圖1：成(cheng)果示意圖。16個非線性“光子盒”陣(zhen)列囚禁的微(wei)波光子強(qiang)相(xiang)互作用形(xing)成(cheng)分數量子反常霍爾態(tai)(注：“光子盒”的名字最(zui)早來自(zi)1930年愛因斯坦和波爾爭論中(zhong)提(ti)出的思想(xiang)實驗)。

　　霍(huo)爾(er)效(xiao)應(ying)(ying)是指當電(dian)(dian)(dian)流通過置(zhi)于磁場(chang)中的(de)材(cai)料時，電(dian)(dian)(dian)子受到洛倫茲力的(de)作用(yong)，在材(cai)料內部產生垂直于電(dian)(dian)(dian)流和磁場(chang)方向的(de)電(dian)(dian)(dian)壓。這(zhe)個效(xiao)應(ying)(ying)由美(mei)國科(ke)學家(jia)霍(huo)爾(er)在1879年(nian)發(fa)(fa)現(xian)(xian)，并被(bei)廣泛應(ying)(ying)用(yong)于電(dian)(dian)(dian)磁感測(ce)領域。1980年(nian)，德(de)國科(ke)學家(jia)馮·克利欽發(fa)(fa)現(xian)(xian)在極低溫和強(qiang)磁場(chang)條件下，霍(huo)爾(er)效(xiao)應(ying)(ying)出(chu)現(xian)(xian)整(zheng)數(shu)(shu)量(liang)子化(hua)的(de)電(dian)(dian)(dian)導率平(ping)臺。這(zhe)一新現(xian)(xian)象(xiang)超(chao)出(chu)了經典物理學的(de)描(miao)述，被(bei)稱為整(zheng)數(shu)(shu)量(liang)子霍(huo)爾(er)效(xiao)應(ying)(ying)，它為精確測(ce)量(liang)電(dian)(dian)(dian)阻提供了標準。1981年(nian)，美(mei)籍華裔科(ke)學家(jia)崔(cui)琦和德(de)國科(ke)學家(jia)施特默發(fa)(fa)現(xian)(xian)了分數(shu)(shu)量(liang)子霍(huo)爾(er)效(xiao)應(ying)(ying)。整(zheng)數(shu)(shu)和分數(shu)(shu)量(liang)子霍(huo)爾(er)效(xiao)應(ying)(ying)的(de)發(fa)(fa)現(xian)(xian)分別獲得(de)1985年(nian)和1998年(nian)諾貝爾(er)物理學獎。

　　此后四十(shi)余年(nian)間，分(fen)(fen)數量(liang)子(zi)霍(huo)爾效應(ying)尤其(qi)受到了廣泛的(de)關注(zhu)。由于最低朗道能級簡并電(dian)子(zi)的(de)相(xiang)互作用，分(fen)(fen)數量(liang)子(zi)霍(huo)爾態展現出非平庸的(de)多體(ti)糾纏(chan)，對其(qi)研究所衍(yan)生出的(de)拓撲序、復(fu)合費米(mi)子(zi)等理論成果逐漸成為多體(ti)物理學的(de)基本模型。與此同時，分(fen)(fen)數量(liang)子(zi)霍(huo)爾態可激發出局域的(de)準粒子(zi)，這種準粒子(zi)具有奇異(yi)的(de)分(fen)(fen)數統(tong)計和(he)拓撲保護性(xing)質，有望成為拓撲量(liang)子(zi)計算(suan)的(de)載體(ti)。

　　反常霍(huo)爾(er)(er)效(xiao)應(ying)(ying)是指無需外(wai)部(bu)磁場的(de)情況下觀(guan)測到(dao)(dao)相關效(xiao)應(ying)(ying)。2013年，中國(guo)研(yan)(yan)究(jiu)團(tuan)隊觀(guan)測到(dao)(dao)整數量(liang)子反常霍(huo)爾(er)(er)效(xiao)應(ying)(ying)。2023年，美國(guo)和中國(guo)的(de)研(yan)(yan)究(jiu)團(tuan)隊分別獨立在雙層(ceng)轉角碲化鉬(mu)中觀(guan)測到(dao)(dao)分數量(liang)子反常霍(huo)爾(er)(er)效(xiao)應(ying)(ying)。

　　傳統的量(liang)(liang)子霍(huo)爾效(xiao)應實(shi)驗研(yan)究采用(yong)“自(zi)頂而(er)下”的方式，即在(zai)特定材料的基礎上，利用(yong)該材料已有(you)的結構和(he)性(xing)質實(shi)現制備量(liang)(liang)子霍(huo)爾態(tai)。通常(chang)情況下，需要極(ji)低溫環境、極(ji)高的二維材料純凈(jing)度和(he)極(ji)強的磁(ci)場，對實(shi)驗要求較為(wei)苛(ke)刻。此外，傳統“自(zi)頂而(er)下”的方法難以對系統微觀量(liang)(liang)子態(tai)進行(xing)單點位獨立地操控和(he)測量(liang)(liang)，一(yi)定程度上限制了其在(zai)量(liang)(liang)子信息科學中的應用(yong)。

圖2：在非線(xian)性光(guang)子系統中構建人工規范場，實現光(guang)子的分(fen)數量子霍(huo)爾態。

　　與(yu)之(zhi)相對地，人(ren)工(gong)搭建的量(liang)(liang)(liang)子(zi)系(xi)統結構(gou)清晰，靈活可(ke)控，是一種“自(zi)底(di)而上”研究復雜量(liang)(liang)(liang)子(zi)物態(tai)的新范式。其優勢(shi)包(bao)括(kuo)：無需外磁場(chang)，通(tong)過變換耦合形式即可(ke)構(gou)造出等效人(ren)工(gong)規范場(chang);通(tong)過對系(xi)統進行(xing)高精度(du)可(ke)尋(xun)址的操控，可(ke)實現對高集(ji)成度(du)量(liang)(liang)(liang)子(zi)系(xi)統微觀性質的全面測量(liang)(liang)(liang)，并(bing)加以進一步(bu)可(ke)控的利(li)用。這類技術(shu)被(bei)稱為(wei)量(liang)(liang)(liang)子(zi)模擬，是“第二次量(liang)(liang)(liang)子(zi)革命(ming)”的重要內容，有望在近期應用于(yu)模擬經典計(ji)算(suan)困難的量(liang)(liang)(liang)子(zi)系(xi)統并(bing)達(da)到“量(liang)(liang)(liang)子(zi)計(ji)算(suan)優越性”。

圖3：觀察到分數量子(zi)(zi)霍爾態(tai)的拓(tuo)撲關聯和拓(tuo)撲光子(zi)(zi)流

　　此(ci)前，國際(ji)上已經基于其(qi)開展了一些(xie)合成拓撲物態、研究拓撲性(xing)質的量(liang)子(zi)(zi)模(mo)擬工(gong)作。然而，由(you)于以往系統中耦合形式和非線(xian)性(xing)強度(du)的限制，人們(men)一直(zhi)未(wei)能(neng)在二維晶(jing)格中為光子(zi)(zi)構建人工(gong)規范場。

　　為解(jie)決這一(yi)重大挑戰，團隊在(zai)國際(ji)上(shang)自主研發(fa)并命名了一(yi)種新型超導量(liang)子(zi)(zi)比特Plasmonium，打破了目前(qian)主流(liu)的(de)(de)Transmon(傳輸子(zi)(zi)型)量(liang)子(zi)(zi)比特相干(gan)性與非簡諧(xie)(xie)性之間的(de)(de)制約，用更高(gao)的(de)(de)非簡諧(xie)(xie)性提供了光(guang)子(zi)(zi)間更強的(de)(de)排斥作用。進一(yi)步，團隊通過交流(liu)耦合(he)的(de)(de)方式構造(zao)出作用于光(guang)子(zi)(zi)的(de)(de)等效(xiao)磁場，使(shi)光(guang)子(zi)(zi)繞晶格的(de)(de)流(liu)動(dong)可積累Berry(貝里)相位，解(jie)決了實(shi)現光(guang)子(zi)(zi)分數(shu)量(liang)子(zi)(zi)反(fan)常霍爾(er)效(xiao)應的(de)(de)兩個關鍵難題。同時，這樣的(de)(de)人造(zao)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(de)(de)優勢，為實(shi)驗(yan)觀測和操縱提供了新的(de)(de)手段。

圖4：觀察到準粒子的(de)不(bu)可壓(ya)縮(suo)和分數霍爾(er)電(dian)導

　　在(zai)該項工作中，研究人員觀測(ce)到了分(fen)數(shu)量子(zi)霍爾(er)態獨有(you)的(de)拓撲關(guan)聯(lian)性質(zhi)，驗證了該系(xi)統的(de)分(fen)數(shu)霍爾(er)電(dian)導。同(tong)時(shi)，他們通過引入局(ju)域勢場的(de)方(fang)法，跟蹤了準(zhun)粒子(zi)的(de)產生過程，證實了準(zhun)粒子(zi)的(de)不可壓縮(suo)性質(zhi)。

　　《科學》雜志審稿人高度評價這一工(gong)作(zuo)，認為(wei)這一工(gong)作(zuo)“是利用(yong)相互(hu)作(zuo)用(yong)光子(zi)進行(xing)量子(zi)模擬(ni)的(de)(de)(de)重大(da)進展”(a significant advance in quantum simulation with interacting photons)，“一種新穎的(de)(de)(de)局域單點控制(zhi)和自(zi)底而上的(de)(de)(de)途徑”(a novel form of local control and bottom-up approach)，“有(you)潛(qian)力為(wei)實現非阿(a)貝爾拓撲(pu)態(tai)開辟(pi)一條新的(de)(de)(de)途徑，這是利用(yong)二維電(dian)子(zi)氣材(cai)料的(de)(de)(de)傳統方法很難探測的(de)(de)(de)”(potentially open new pathways for realizing non-Abelian topological states, which have been extremely challenging to probe in two-dimensional electron gases)。

　　諾貝爾(er)物理(li)學(xue)獎(jiang)得主(zhu)Frank Wilczek評(ping)價，這(zhe)(zhe)種“自底而上(shang)”、用人造(zao)原子(zi)構(gou)建哈密頓量的(de)(de)途(tu)徑是一(yi)個“非(fei)常有前(qian)途(tu)的(de)(de)想法”(a very promising idea)，這(zhe)(zhe)是一(yi)個令人印(yin)象深(shen)刻的(de)(de)實驗(a very impressive experiment)，為基于任意子(zi)的(de)(de)量子(zi)信息處理(li)邁出(chu)了重要一(yi)步(a remarkable step)。沃爾(er)夫獎(jiang)獲得者Peter Zoller評(ping)價，“這(zhe)(zhe)在(zai)科學(xue)和(he)技術(shu)上(shang)都是一(yi)項杰出(chu)的(de)(de)成(cheng)就”(a remarkable achievement, both scientifically and technically,)，“實現這(zhe)(zhe)樣的(de)(de)目標是多年來全球頂級實驗室競爭的(de)(de)量子(zi)模擬(ni)的(de)(de)圣杯之一(yi)”(one of the holy grails of quantum simulation)。

　　本文第一作者為陳(chen)明(ming)城(cheng)、劉(liu)豐(feng)銘(ming)和王(wang)粲。該研(yan)究工作得到(dao)了科(ke)技部、國家自然科(ke)學(xue)基金委(wei)、中國科(ke)學(xue)院、安徽省和上海市(shi)等的支持。

　　論文鏈接：

　　//www.science.org/doi/10.1126/science.ado3912