我國科學家首次實現光子的反常分數量子霍爾態　助推「第二次量子革命」

（大公文匯網記者 劉凝哲 北京報道）中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽、陳明城教授等利用基於自主研發的Plasmonium（等離子體躍遷型）超導高非簡諧性光學諧振器陣列，實現了光子間的非線性相互作用，並進一步在此系統中構建出作用於光子的等效磁場以構造人工規範場，在國際上首次實現了光子的分數量子反常霍爾態。這是利用「自底而上」的量子模擬方法進行量子物態和量子計算研究的重要進展，為高效開展更多、更新奇的量子物態研究提供了新路徑，助力推進「第二次量子革命」。相關成果以長文的形式於北京時間5月3日發表在國際學術期刊《科學》上。

霍爾效應是指當電流通過置於磁場中的材料時，電子受到洛倫茲力的作用，在材料內部產生垂直於電流和磁場方向的電壓。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。

傳統的量子霍爾效應實驗研究採用「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製備量子霍爾態。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。與之相對地，人工搭建的量子系統結構清晰，靈活可控，是一種「自底而上」研究複雜量子物態的新範式。這類技術被稱為量子模擬，是「第二次量子革命」的重要內容，有望在近期應用於模擬經典計算困難的量子系統並達到「量子計算優越性」。

中國科學技術大學團隊在國際上自主研發並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。在該項工作中，研究人員觀測到了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》雜誌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」。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」，為基於任意子的量子信息處理邁出了重要一步。香港大學講席教授姚望認為，這是一個「非常強大的量子模擬器」，真的令人興奮，這個優美的實驗設計將產生重大影響。