中新網(wǎng)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(fā)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(fā)并命名的一種新型超導量子比特，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)。
5月6日，中國科學院在北京舉行“首次實現(xiàn)光子的分數(shù)量子反?；魻枒B(tài)”新聞發(fā)布會。中新網(wǎng)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(jīng)典計算困難的量子系統(tǒng)并達到“量子計算優(yōu)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(fā)表。
研發(fā)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(fā)布會上介紹說，此前，國際上雖已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，但由于以往系統(tǒng)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(guī)范場。
5月6日，中國科學院在北京舉行“首次實現(xiàn)光子的分數(shù)量子反?；魻枒B(tài)”新聞發(fā)布會，中國科大教授陸朝陽介紹本次研究成果。中新網(wǎng)記者 孫自法 攝為解決這一重大挑戰(zhàn)，中國科大科研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(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(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(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，跟蹤準粒子的產(chǎn)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(yōu)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(tài)和量子計算研究取得重要進展。
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。
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(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。
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(jīng)典計算困難的量子系統(tǒng)并達到“量子計算優(yōu)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(huán)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(fā)命名新型超導量子比特，并在國際上首次實現(xiàn)光子的分數(shù)量子反?；魻枒B(tài)這一重大成果，國際同行專家給予高度認可和評價?！犊茖W》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(xiàn)非阿貝爾拓撲態(tài)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(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)。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(xiàn)在變成了現(xiàn)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(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”。在量子設備上高精度地產(chǎn)生如此高度糾纏的量子態(tài)，為研究奇異量子態(tài)開啟了大門，是實現(xiàn)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(chuàng)造了一個可以精確調控的量子模擬平臺去實現(xiàn)不需要外加磁場的分數(shù)量子霍爾態(tài)，可為凝聚態(tài)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(xiàn)量子模擬分數(shù)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(chuàng)造一些新奇量子物態(tài)。
本次研究觀察到分數(shù)量子霍爾態(tài)的拓撲關聯(lián)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(yōu)美的實驗設計將產(chǎn)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(tǒng)，會顯著推進人們對這種長期引人關注的奇異現(xiàn)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(yè)學術名詞比較深奧難懂，中國科大團隊在發(fā)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(chǎn)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(fā)現(xiàn)，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(shù)霍爾電導。中國科大/供圖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)象超出經(jīng)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)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40余年間，分數(shù)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(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?完)