国际首次！中国科大研发出新型量子模拟技术平台

5月6日，中国科学技术大学（以下简称中国科大）研究团队在京发布新成果。他们将自主研发的“光子盒”排布成阵列，在国际上首次实现了基于光子的分数量子反常霍尔态，为物理学家们创造出一种研究分数量子霍尔效应的新平台。相关成果已发表于《科学》杂志。

论文通讯作者、中国科大教授潘建伟院士介绍，该成果是量子模拟技术的重要突破，将很快用于模拟量子系统，推动量子物理研究和量子计算的发展。

《科学》杂志审稿人认为这一工作“是利用相互作用光子进行量子模拟的重大进展”。诺贝尔物理学奖得主、麻省理工学院教授弗朗克·维尔切克（Frank Wilczek）将其评价为“一个非常有前途的想法”，“向基于准粒子的量子信息处理迈出了重要一步”。

成果示意图。16个非线性“光子盒”阵列囚禁的微波光子强相互作用形成分数量子反常霍尔态。受访者供图

分数量子霍尔效应：量子计算走向实用的关键课题

随着量子计算发展的速度和热度不断提升，分数量子霍尔效应研究成为全球顶级实验室竞相追逐的热点。

之所以如此，是因为分数量子霍尔态可以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。而拓扑量子计算有更大的容错能力，能够克服传统量子计算在走向实用的容错能力困境。

量子霍尔效应和量子反常霍尔效应是人类从百年前至今一直研究的问题。

“霍尔效应”是指当电流通过置于磁场中的材料时，电子受到洛伦兹力的作用，在材料内部产生垂直于电流和磁场方向的电压。这个效应由美国科学家霍尔在1879年发现，被广泛应用于电磁感测领域。

“反常霍尔效应”则是指在没有外部磁场的情况下也能观察到的类似于霍尔效应的现象。

1980年，德国科学家冯·克利钦发现在极低温和强磁场条件下，霍尔态的电导率曲线总是在整数位置出现一条稳定的平线，被称为“整数量子霍尔效应”，为精确测量电阻提供了标准。1981年，美籍华裔科学家崔琦和德国科学家施特默又发现了分数量子霍尔效应。这两项发现分别获得1985年和1998年诺贝尔物理学奖。

此后四十余年间，分数量子霍尔效应研究受到了广泛的关注。对分数量子霍尔态的研究，已经衍生出了拓扑序、复合费米子等理论成果，并逐渐成为多体物理学的基本模型。

2013年，中国研究团队在无磁场的情况下，观测到了整数量子反常霍尔态。2023年，美国和中国的研究团队分别独立在双层转角碲化钼中，观测到分数量子反常霍尔态。

操控量子系统之梦：能不能“随心所欲”做研究

要研究分数量子霍尔效应，首先要制备出分数量子霍尔态。

传统的量子霍尔效应实验研究，采用“自顶而下”的方式，即在特定材料的基础上，利用该材料已有的结构和性质实现制备量子霍尔态，并对量子霍尔态进行研究。

“传统‘自顶而下’的方式，其优势在于可以在自然界里找到相应的材料。但通常情况下，开展研究时需要极低温环境、极高的二维材料纯净度和极强的磁场，实验要求较为苛刻，此外，难以对系统微观量子态进行单点位独立地操控和测量。”潘建伟说。

一直以来，科学家们都想走一条“自底而上”的路。毕竟，在量子计算的国际科技竞争中，谁能尽早掌握人工搭建量子系统的方法，谁就有可能以更快的速度赢得比赛。

“‘自顶而下’就好比有一座山，我们要在山里凿洞做房子，受现实条件约束，不能随心所欲。‘自底而上’好比我们用砖块盖房子，可以按照自己的意愿来盖。”论文通讯作者、中国科大教授陆朝阳说。

潘建伟介绍，人工搭建的量子系统结构清晰，灵活可控，是一种研究复杂量子物态的新范式。优势在于，无需外磁场，通过变换耦合形式即可构造出等效人工规范场；通过对系统进行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，并加以进一步可控的利用。

“这类技术被称为量子模拟，是第二次量子革命的重要内容。”潘建伟说。

此前，国际上已经基于其开展了一些合成拓扑物态、研究拓扑性质的量子模拟工作。“然而，由于以往系统中耦合形式和非线性强度的限制，人们一直未能在二维晶格中为光子构建人工规范场。”陆朝阳说。

用光子模拟出量子态：全新的量子实验平台

在量子模拟技术方面，潘建伟等人选择了一条与众不同的赛道——用光子模拟电子以实现分数量子反常霍尔态。

第一步，他们将光子囚禁到“盒子”里。团队在国际上自主研发和命名了一种俗称“光子盒”的新型超导量子比特（Plasmonium），将其排布为4×4的晶格阵列，并为光子提供更强的相互排斥作用，以模拟电子之间的库伦相互作用。

第二步，他们让光子在“光子盒”间“跳舞”。团队通过交流耦合的方式，构造出作用于光子的等效磁场，使光子绕晶格流动。“这个过程就像给光子安装了一种‘记忆能力’，让它们在绕圈圈的过程中记住自己的路径相关信息。”陆朝阳说。

这两步是用光子模拟分子量子霍尔态的关键难题。走完这两步后，研究人员观测到了分数量子霍尔态独有的拓扑关联性质，验证了该系统的分数霍尔电导。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。

“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新的手段。”陆朝阳说。

对于这项研究，《科学》杂志审稿人认为，这是“一种新颖的局域单点控制和自底而上的途径”，“有潜力为实现非阿贝尔拓扑态开辟一条新的途径，这是利用二维电子气材料的传统方法很难探测的”。

沃尔夫奖获得者彼得·佐勒（Peter Zoller）评价：“这在科学和技术上都是一项杰出的成就……实现这样的目标是多年来全球顶级实验室竞争的量子模拟的圣杯之一。”

潘建伟表示，下一步，团队将研制专用量子模拟机，用可控的方式构建分数量子霍尔态，以理解分数量子霍尔效应。另一方面，团队也将在未来一两年内用分数量子霍尔态激发出准粒子，并探索研制具有更高容错能力的拓扑量子计算机。 

相关论文信息：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado3912