重大突破！我國科學(xué)家首次實(shí)現光子的分數量子反?；魻枒B(tài)

量子模擬實(shí)驗有了重大突破。中國科學(xué)院6日在京召開(kāi)新聞發(fā)布會(huì )，記者從發(fā)布會(huì )上獲悉，利用“自底而上”的量子模擬方法，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團隊在國際上首次實(shí)現光子的分數量子反?；魻枒B(tài)。這是量子物理學(xué)和量子信息科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果在線(xiàn)發(fā)表于《科學(xué)》雜志。 

成果示意圖

霍爾效應是指當電流通過(guò)置于磁場(chǎng)中的材料時(shí)，電子受到洛倫茲力的作用，在材料內部產(chǎn)生垂直于電流和磁場(chǎng)方向的電壓。這個(gè)效應由美國科學(xué)家霍爾在1879年發(fā)現，并被廣泛應用于電磁感測領(lǐng)域。反?；魻栃侵冈跊](méi)有外部磁場(chǎng)的情況下觀(guān)測到相關(guān)效應。

在傳統的量子霍爾效應研究中，采用的是“自頂而下”的方法，這通常意味著(zhù)研究者從已經(jīng)存在的材料出發(fā)，利用這些材料的固有結構和性質(zhì)來(lái)實(shí)現量子霍爾態(tài)。這種方法需要特定的條件，比如極低溫環(huán)境、高純度的二維材料和強磁場(chǎng)，這些條件往往很難滿(mǎn)足，且對實(shí)驗的控制和操作有限制。

與之相對，人工搭建的量子系統結構清晰，靈活可控，是一種“自底而上”研究復雜量子物態(tài)的新范式?！斑@種方法的優(yōu)勢在于它提供了更高的靈活性和可控性，研究者可以精確地控制每一個(gè)組件，從而更好地理解和操縱量子系統?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡?、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陸朝陽(yáng)說(shuō)，這類(lèi)技術(shù)被稱(chēng)為量子模擬，是“第二次量子革命”的重要內容，有望在近期應用于模擬經(jīng)典計算困難的量子系統并達到“量子計算優(yōu)越性”。

“通俗來(lái)說(shuō)，如果把量子霍爾效應比作一座房子，‘自頂而下’的方法就像是在現有的房子基礎上進(jìn)行裝修和改造，而‘自底而上’的方法則是從一塊磚、一片瓦開(kāi)始，完全按照設計圖紙重新建造一座房子?！标懗?yáng)形象地說(shuō)。 

在非線(xiàn)性光子系統中構建人工規范場(chǎng)，實(shí)現光子的分數量子霍爾態(tài)

此次，研究團隊利用自主研發(fā)的一種新型超導量子比特Plasmonium，成功實(shí)現光子間的非線(xiàn)性相互作用，并進(jìn)一步構建出作用于光子的等效磁場(chǎng)以構造人工規范場(chǎng)，從而在國際上首次實(shí)現了光子的分數量子反?；魻枒B(tài)。

諾貝爾物理學(xué)獎得主弗蘭克·維爾切克對這項研究給予了高度評價(jià)。他說(shuō)：“這種‘自底而上’的途徑是一個(gè)‘非常有前途的想法’，這是一個(gè)令人印象深刻的實(shí)驗，為基于任意子的量子信息處理邁出了重要一步?！?/span>

（科技日報記者 陸成寬 吳長(cháng)鋒 中國科學(xué)院供圖）