中新網北京5月6日電 (記者 孫自法)中國科學院5月6日在北京舉行專題新聞發布會宣布，中國科學技術大學(中國科大)科研團隊基于中國科學家自主研發并命名的一種新型超導量子比特，實現了光子間的非線性相互作用，并進一步在此系統中構建出作用于光子的等效磁場以構造人工規范場，在國際上首次實現了光子的分數量子反常霍爾態。
5月6日，中國科學院在北京舉行“首次實現光子的分數量子反常霍爾態”新聞發布會。中新網記者 孫自法 攝這項量子物理基礎研究領域的突破成果，是“第二次量子革命”的重要內容，有望在近期應用于模擬經典計算困難的量子系統并達到“量子計算優越性”。該研究論文由中國科大潘建偉院士和陸朝陽、陳明城教授等共同完成，近日以長文形式在國際著名學術期刊《科學》發表。
研發并命名一種新型超導量子比特
論文共同通訊作者陸朝陽教授在發布會上介紹說，此前，國際上雖已開展了一些合成拓撲物態、研究拓撲性質的量子模擬工作，但由于以往系統中耦合形式和非線性強度的限制，學界一直未能在二維晶格中為光子構建人工規范場。
5月6日，中國科學院在北京舉行“首次實現光子的分數量子反常霍爾態”新聞發布會，中國科大教授陸朝陽介紹本次研究成果。中新網記者 孫自法 攝為解決這一重大挑戰，中國科大科研團隊在國際上自主研發并命名了一種新型超導量子比特Plasmonium(等離子體躍遷型)，它打破了目前主流的傳輸子型(Transmon)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。
科研團隊進一步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貝里(Berry)相位，解決了實現光子分數量子反常霍爾效應的兩個關鍵難題。同時，這樣的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，為本次研究中相關光子量子的實驗觀測和操縱提供了新的手段。
在本項研究工作中，中國科大團隊觀測到分數量子霍爾態獨有的拓撲關聯性質，驗證了該系統的分數霍爾電導。同時，他們通過引入局域勢場的方法，跟蹤準粒子的產生過程，證實準粒子的不可壓縮性質。
有望近期達到“量子計算優越性”
論文共同通訊作者潘建偉院士指出，此次研究的核心成果，就是利用“自底而上”的量子模擬方法進行量子物態和量子計算研究取得重要進展。
傳統的量子霍爾效應實驗研究采用“自頂而下”的方式，即在特定材料的基礎上，利用該材料已有的結構和性質實現制備量子霍爾態。通常情況下，需要極低溫環境、極高的二維材料純凈度和極強的磁場，對實驗要求較為苛刻。此外，傳統“自頂而下”的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。
本次研究成果示意圖。中國科大/供圖與之相對應，本次研究提出人工搭建的量子系統結構清晰，靈活可控，是一種“自底而上”研究復雜量子物態的新范式。其優勢包括：無需外磁場，通過變換耦合形式即可構造出等效人工規范場；通過對系統進行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，并加以進一步可控的利用。
潘建偉表示，這類技術被稱為量子模擬，是“第二次量子革命”的重要內容，有望在近期應用于模擬經典計算困難的量子系統并達到“量子計算優越性”。
針對“自頂而下”和“自底而上”概念，陸朝陽科普稱，如果以構建房屋打比方，前者類似于基于原有山丘從上往下塑造，環境等受限較多，后者則類似采購建材在空地建房，比較自主可控。
構建新型容錯量子計算機的起點
對于中國科學家自主研發命名新型超導量子比特，并在國際上首次實現光子的分數量子反常霍爾態這一重大成果，國際同行專家給予高度認可和評價。《科學》雜志審稿人評價認為，這項工作“是利用相互作用光子進行量子模擬的重大進展”，“有潛力為實現非阿貝爾拓撲態開辟一條新的途徑”。
本次研究成果示意圖：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。中國科大/供圖諾貝爾物理學獎得主、美國麻省理工學院教授弗朗克·維爾切克(Frank Wilczek)表示，這種“自底而上”、用人造原子構建哈密頓量的途徑是一個“非常有前途的想法”。這是一個令人印象深刻的實驗，為基于任意子的量子信息處理邁出重要一步，“原本完全是理論，現在變成了現實”。
沃爾夫物理學獎獲得者、奧地利因斯布魯克大學教授彼得·佐勒(Peter Zoller)指出，“這在科學和技術上都是一項杰出的成就”，“實現這樣的目標是多年來全球頂級實驗室競爭的量子模擬的‘圣杯’之一”。在量子設備上高精度地產生如此高度糾纏的量子態，為研究奇異量子態開啟了大門，是實現構建新型容錯量子計算機這一長期夢想的起點。
美國華盛頓大學教授許曉棟認為，這項工作的重要意義是創造了一個可以精確調控的量子模擬平臺去實現不需要外加磁場的分數量子霍爾態，可為凝聚態物理研究提供前瞻和重要的指導意義。該工作展示了如何用光子來實現量子模擬分數量子霍爾效應，不論技術上還是物理上都很有意義，未來可進一步研究用它來創造一些新奇量子物態。
本次研究觀察到分數量子霍爾態的拓撲關聯和拓撲光子流。中國科大/供圖香港大學教授姚望稱，這是一個“非常強大的量子模擬器”，其優美的實驗設計將產生重大影響，令人興奮之處在于其可控性和靈活性，能夠訪問單個晶格點非常重要，有潛力模擬更多種系統，會顯著推進人們對這種長期引人關注的奇異現象的理解。
霍爾效應研究“來龍去脈”
針對本項研究中“霍爾效應”“反常霍爾效應”等諸多專業學術名詞比較深奧難懂，中國科大團隊在發布會上提供相關材料科普稱，霍爾效應是指當電流通過置于磁場中的材料時，電子受到洛倫茲力的作用，在材料內部產生垂直于電流和磁場方向的電壓。該效應由美國科學家霍爾在1879年發現，以其命名并被廣泛應用于電磁感測領域。
本次研究觀察到準粒子的不可壓縮和分數霍爾電導。中國科大/供圖1980年，德國科學家馮·克利欽發現在極低溫和強磁場條件下，霍爾效應出現整數量子化的電導率平臺，這一新現象超出經典物理學的描述，被稱為整數量子霍爾效應，它為精確測量電阻提供了標準；1981年，美籍華裔科學家崔琦和德國科學家施特默發現分數量子霍爾效應；整數和分數量子霍爾效應的發現分別獲得1985年和1998年諾貝爾物理學獎。此后40余年間，分數量子霍爾效應尤其受到了廣泛的關注。
反常霍爾效應是指無需外部磁場的情況下觀測到相關效應。2013年，中國研究團隊觀測到整數量子反常霍爾效應。2023年，美國和中國的研究團隊分別獨立在雙層轉角碲化鉬中觀測到分數量子反常霍爾效應。(完)