中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽、陳明城教授等利用基于自主研發(fā)的Plasmonium（等離子體躍遷型）超導高非簡諧性光學諧振器陣列，實現(xiàn)了光子間的非線性相互作用，并進一步在此系統(tǒng)中構建出作用于光子的等效磁場以構造人工規(guī)范場，在國際上首次實現(xiàn)了光子的分數(shù)量子反?；魻枒B(tài)。這是利用“自底而上”的量子模擬方法進行量子物態(tài)和量子計算研究的重要進展。相關成果以長文的形式于北京時間5月3日發(fā)表在國際學術期刊《科學》（Science）上。

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。這個效應由美國科學家霍爾在1879年發(fā)現(xiàn)，并被廣泛應用于電磁感測領域。1980年，德國科學家馮·克利欽發(fā)現(xiàn)在極低溫和強磁場條件下，霍爾效應出現(xiàn)整數(shù)量子化的電導率平臺。這一新現(xiàn)象超出了經典物理學的描述，被稱為整數(shù)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(fā)現(xiàn)了分數(shù)量子霍爾效應。整數(shù)和分數(shù)量子霍爾效應的發(fā)現(xiàn)分別獲得1985年和1998年諾貝爾物理學獎。

此后四十余年間，分數(shù)量子霍爾效應尤其受到了廣泛的關注。由于最低朗道能級簡并電子的相互作用，分數(shù)量子霍爾態(tài)展現(xiàn)出非平庸的多體糾纏，對其研究所衍生出的拓撲序、復合費米子等理論成果逐漸成為多體物理學的基本模型。與此同時，分數(shù)量子霍爾態(tài)可激發(fā)出局域的準粒子，這種準粒子具有奇異的分數(shù)統(tǒng)計和拓撲保護性質，有望成為拓撲量子計算的載體。

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(shù)量子反?；魻栃?。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(shù)量子反?；魻栃?。

傳統(tǒng)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(xiàn)制備量子霍爾態(tài)。通常情況下，需要極低溫環(huán)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(tǒng)“自頂而下”的方法難以對系統(tǒng)微觀量子態(tài)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。

與之相對地，人工搭建的量子系統(tǒng)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。其優(yōu)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(guī)范場；通過對系統(tǒng)進行高精度可尋址的操控，可實現(xiàn)對高集成度量子系統(tǒng)微觀性質的全面測量，并加以進一步可控的利用。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(tǒng)并達到“量子計算優(yōu)越性”。

此前，國際上已經基于其開展了一些合成拓撲物態(tài)、研究拓撲性質的量子模擬工作。然而，由于以往系統(tǒng)中耦合形式和非線性強度的限制，人們一直未能在二維晶格中為光子構建人工規(guī)范場。

為解決這一重大挑戰(zhàn)，團隊在國際上自主研發(fā)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。進一步，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，解決了實現(xiàn)光子分數(shù)量子反?；魻栃膬蓚€關鍵難題。同時，這樣的人造系統(tǒng)具有可尋址、單點位獨立控制和讀取，以及可編程性強的優(yōu)勢，為實驗觀測和操縱提供了新的手段。

在該項工作中，研究人員觀測到了分數(shù)量子霍爾態(tài)獨有的拓撲關聯(lián)性質，驗證了該系統(tǒng)的分數(shù)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。

《科學》雜志審稿人高度評價這一工作，認為這一工作“是利用相互作用光子進行量子模擬的重大進展”（a significant advance in quantum simulation with interacting photons），“一種新穎的局域單點控制和自底而上的途徑”（a novel form of local control and bottom-up approach），“有潛力為實現(xiàn)非阿貝爾拓撲態(tài)開辟一條新的途徑，這是利用二維電子氣材料的傳統(tǒng)方法很難探測的”（potentially open new pathways for realizing non-Abelian topological states,?which have been extremely challenging to probe in two-dimensional electron gases）。

諾貝爾物理學獎得主Frank Wilczek評價，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”（a very promising idea），這是一個令人印象深刻的實驗（a very impressive experiment），為基于任意子的量子信息處理邁出了重要一步（a remarkable step）。沃爾夫獎獲得者Peter Zoller評價，“這在科學和技術上都是一項杰出的成就”（a remarkable achievement,?both scientifically and technically），“實現(xiàn)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”（one of the holy grails of quantum simulation）。

研究工作得到科學技術部、國家自然科學基金委員會、中國科學院、安徽省和上海市等的支持。

成果示意圖。16個非線性“光子盒”陣列囚禁的微波光子強相互作用形成分數(shù)量子反?；魻枒B(tài)（注：“光子盒”的名字最早來自1930年愛因斯坦和波爾爭論提出的思想實驗）

在非線性光子系統(tǒng)中構建人工規(guī)范場，實現(xiàn)光子的分數(shù)量子霍爾態(tài)

觀察到分數(shù)量子霍爾態(tài)的拓撲關聯(lián)和拓撲光子流

觀察到準粒子的不可壓縮和分數(shù)霍爾電導