5月6日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱中國(guó)科大）研究團(tuán)隊(duì)在京發(fā)布新成果。他們將自主研發(fā)的“光子盒”排布成陣列，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了基于光子的分?jǐn)?shù)量子反常霍爾態(tài)，為物理學(xué)家創(chuàng)造出一種研究分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的新平臺(tái)。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《科學(xué)》。
論文通訊作者、中國(guó)科大教授潘建偉院士介紹，該成果是量子模擬技術(shù)的重要突破，將很快用于模擬量子系統(tǒng)，推動(dòng)量子物理研究和量子計(jì)算的發(fā)展。
《科學(xué)》審稿人認(rèn)為這一工作“是利用相互作用光子進(jìn)行量子模擬的重大進(jìn)展”。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主、美國(guó)麻省理工學(xué)院教授弗朗克·維爾切克將其評(píng)價(jià)為“一個(gè)非常有前途的想法”，“向基于準(zhǔn)粒子的量子信息處理邁出了重要一步”。
分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)：
量子計(jì)算走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵課題
隨著量子計(jì)算發(fā)展的速度和熱度不斷提升，分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)研究成為全球頂級(jí)實(shí)驗(yàn)室競(jìng)相追逐的熱點(diǎn)。
之所以如此，是因?yàn)榉謹(jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)可以激發(fā)出局域的準(zhǔn)粒子。這種準(zhǔn)粒子具有奇異的分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)和拓?fù)浔Ｗo(hù)性質(zhì)，有望成為拓?fù)淞孔佑?jì)算的載體。而拓?fù)淞孔佑?jì)算有更大的容錯(cuò)能力，能夠突破傳統(tǒng)量子計(jì)算走向?qū)嵱眠^(guò)程中的容錯(cuò)能力困境。
量子霍爾效應(yīng)和量子反常霍爾效應(yīng)是人類百年來(lái)一直研究的問(wèn)題。
“霍爾效應(yīng)”是指當(dāng)電流通過(guò)置于磁場(chǎng)中的材料時(shí)，電子受到洛倫茲力的作用，在材料內(nèi)部產(chǎn)生垂直于電流和磁場(chǎng)方向的電壓。這個(gè)效應(yīng)由美國(guó)科學(xué)家霍爾在1879年發(fā)現(xiàn)，被廣泛應(yīng)用于電磁感測(cè)領(lǐng)域。
“反常霍爾效應(yīng)”則是指在沒(méi)有外部磁場(chǎng)的情況下能觀察到的類似于霍爾效應(yīng)的現(xiàn)象。
1980年，德國(guó)科學(xué)家克勞斯·馮·克利欽發(fā)現(xiàn)在極低溫和強(qiáng)磁場(chǎng)條件下，霍爾態(tài)的電導(dǎo)率曲線總是在整數(shù)位置出現(xiàn)一條穩(wěn)定的平線。這被稱為“整數(shù)量子霍爾效應(yīng)”，為精確測(cè)量電阻提供了標(biāo)準(zhǔn)。1981年，美籍華裔科學(xué)家崔琦和德國(guó)科學(xué)家霍斯特·施特默又發(fā)現(xiàn)了分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)。這兩項(xiàng)發(fā)現(xiàn)分別獲得1985年和1998年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
此后40余年間，分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)研究受到了廣泛關(guān)注。對(duì)分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)的研究，已經(jīng)衍生出了拓?fù)湫颉?fù)合費(fèi)米子等理論成果，并逐漸成為多體物理學(xué)的基本模型。
2013年，中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)在無(wú)磁場(chǎng)的情況下觀測(cè)到了整數(shù)量子反常霍爾態(tài)。2023年，美國(guó)和中國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)分別獨(dú)立在雙層轉(zhuǎn)角碲化鉬中，觀測(cè)到分?jǐn)?shù)量子反常霍爾態(tài)。
操控量子系統(tǒng)之夢(mèng)：
能不能“隨心所欲”做研究
要研究分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，首先要制備出分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)。
傳統(tǒng)的量子霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究采用“自頂而下”的方式，即在特定材料的基礎(chǔ)上，利用該材料已有的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)實(shí)現(xiàn)制備量子霍爾態(tài)，并對(duì)量子霍爾態(tài)進(jìn)行研究。
“傳統(tǒng)‘自頂而下’的方式的優(yōu)勢(shì)在于可以在自然界找到相應(yīng)的材料。但通常情況下，開(kāi)展研究時(shí)需要極低溫環(huán)境、極高的二維材料純凈度和極強(qiáng)的磁場(chǎng)，實(shí)驗(yàn)要求較為苛刻。此外，該方法難以對(duì)系統(tǒng)微觀量子態(tài)進(jìn)行單點(diǎn)位獨(dú)立操控和測(cè)量。”潘建偉說(shuō)。
一直以來(lái)，科學(xué)家們都想走一條“自底而上”的路。畢竟，在量子計(jì)算的國(guó)際科技競(jìng)爭(zhēng)中，誰(shuí)能盡早掌握人工搭建量子系統(tǒng)的方法，誰(shuí)就有可能以更快的速度贏得“比賽”。
“‘自頂而下’就像有一座山，我們要在山里鑿洞做房子，受現(xiàn)實(shí)條件約束，不能隨心所欲。‘自底而上’好比我們用磚塊蓋房子，可以按照自己的意愿來(lái)蓋。”論文通訊作者、中國(guó)科大教授陸朝陽(yáng)說(shuō)。
潘建偉介紹，人工搭建的量子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰、靈活可控，是一種研究復(fù)雜量子物態(tài)的新范式。其優(yōu)勢(shì)在于，無(wú)需外磁場(chǎng)，通過(guò)變換耦合形式即可構(gòu)造出等效人工規(guī)范場(chǎng)；通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行高精度可尋址的操控，可實(shí)現(xiàn)對(duì)高集成度量子系統(tǒng)微觀性質(zhì)的全面測(cè)量和可控利用。
“這類技術(shù)被稱為量子模擬，是第二次量子革命的重要內(nèi)容。”潘建偉說(shuō)。
此前，國(guó)際上已經(jīng)基于此開(kāi)展了一些合成拓?fù)湮飸B(tài)、研究拓?fù)湫再|(zhì)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(qiáng)度的限制，人們一直未能在二維晶格中為光子構(gòu)建人工規(guī)范場(chǎng)。”陸朝陽(yáng)說(shuō)。
用光子模擬出量子態(tài)：
全新的量子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
在量子模擬技術(shù)方面，潘建偉等人選擇了一條與眾不同的賽道——用光子模擬電子以實(shí)現(xiàn)分?jǐn)?shù)量子反常霍爾態(tài)。
第一步，將光子囚禁到“盒子”里。團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上自主研發(fā)和命名了一種俗稱“光子盒”的新型超導(dǎo)量子比特，將其排布為4×4的晶格陣列，并為光子提供更強(qiáng)的相互排斥作用，以模擬電子之間的庫(kù)侖相互作用。
第二步，讓光子在“光子盒”間“跳舞”。團(tuán)隊(duì)通過(guò)交流耦合的方式，構(gòu)造出作用于光子的等效磁場(chǎng)，使光子繞晶格流動(dòng)。“這個(gè)過(guò)程就像讓光子有了一種‘記憶能力’，讓它們?cè)诶@圈圈的過(guò)程中記住自己的路徑相關(guān)信息。”陸朝陽(yáng)說(shuō)。
這兩步是用光子模擬分子量子霍爾態(tài)的關(guān)鍵難題。走完這兩步后，研究人員觀測(cè)到了分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)獨(dú)有的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)性質(zhì)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的分?jǐn)?shù)霍爾電導(dǎo)。同時(shí)，他們通過(guò)引入局域勢(shì)場(chǎng)的方法，跟蹤了準(zhǔn)粒子的產(chǎn)生過(guò)程，證實(shí)了準(zhǔn)粒子的不可壓縮性質(zhì)。
“人造系統(tǒng)具有可尋址、單點(diǎn)位獨(dú)立控制和讀取，以及可編程性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，為實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和操縱提供了新手段。”陸朝陽(yáng)說(shuō)。
對(duì)于這項(xiàng)研究，《科學(xué)》審稿人認(rèn)為，這是“一種新穎的局域單點(diǎn)控制和自底而上的途徑”，“有潛力為實(shí)現(xiàn)非阿貝爾拓?fù)鋺B(tài)開(kāi)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(cè)的”。
沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者彼得·佐勒評(píng)價(jià)：“這在科學(xué)和技術(shù)上都是一項(xiàng)杰出的成就……實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)是多年來(lái)全球頂級(jí)實(shí)驗(yàn)室競(jìng)爭(zhēng)的量子模擬的‘圣杯’之一。”
潘建偉表示，下一步，團(tuán)隊(duì)一方面將研制專用量子模擬機(jī)，用可控的方式構(gòu)建分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)，以理解分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)；另一方面，將在未來(lái)一兩年內(nèi)用分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)激發(fā)出準(zhǔn)粒子，并探索研制具有更高容錯(cuò)能力的拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)。
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1126/science.ado3912
5月6日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱中國(guó)科大）研究團(tuán)隊(duì)在京發(fā)布新成果。他們將自主研發(fā)的“光子盒”排布成陣列，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了基于光子的分?jǐn)?shù)量子反常霍爾態(tài)，為物理學(xué)家創(chuàng)造出一種研究分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的新平臺(tái)。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《科學(xué)》。
論文通訊作者、中國(guó)科大教授潘建偉院士介紹，該成果是量子模擬技術(shù)的重要突破，將很快用于模擬量子系統(tǒng)，推動(dòng)量子物理研究和量子計(jì)算的發(fā)展。
《科學(xué)》審稿人認(rèn)為這一工作“是利用相互作用光子進(jìn)行量子模擬的重大進(jìn)展”。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主、美國(guó)麻省理工學(xué)院教授弗朗克·維爾切克將其評(píng)價(jià)為“一個(gè)非常有前途的想法”，“向基于準(zhǔn)粒子的量子信息處理邁出了重要一步”。
分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)：
量子計(jì)算走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵課題
隨著量子計(jì)算發(fā)展的速度和熱度不斷提升，分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)研究成為全球頂級(jí)實(shí)驗(yàn)室競(jìng)相追逐的熱點(diǎn)。
之所以如此，是因?yàn)榉謹(jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)可以激發(fā)出局域的準(zhǔn)粒子。這種準(zhǔn)粒子具有奇異的分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)和拓?fù)浔Ｗo(hù)性質(zhì)，有望成為拓?fù)淞孔佑?jì)算的載體。而拓?fù)淞孔佑?jì)算有更大的容錯(cuò)能力，能夠突破傳統(tǒng)量子計(jì)算走向?qū)嵱眠^(guò)程中的容錯(cuò)能力困境。
量子霍爾效應(yīng)和量子反常霍爾效應(yīng)是人類百年來(lái)一直研究的問(wèn)題。
“霍爾效應(yīng)”是指當(dāng)電流通過(guò)置于磁場(chǎng)中的材料時(shí)，電子受到洛倫茲力的作用，在材料內(nèi)部產(chǎn)生垂直于電流和磁場(chǎng)方向的電壓。這個(gè)效應(yīng)由美國(guó)科學(xué)家霍爾在1879年發(fā)現(xiàn)，被廣泛應(yīng)用于電磁感測(cè)領(lǐng)域。
“反常霍爾效應(yīng)”則是指在沒(méi)有外部磁場(chǎng)的情況下能觀察到的類似于霍爾效應(yīng)的現(xiàn)象。
1980年，德國(guó)科學(xué)家克勞斯·馮·克利欽發(fā)現(xiàn)在極低溫和強(qiáng)磁場(chǎng)條件下，霍爾態(tài)的電導(dǎo)率曲線總是在整數(shù)位置出現(xiàn)一條穩(wěn)定的平線。這被稱為“整數(shù)量子霍爾效應(yīng)”，為精確測(cè)量電阻提供了標(biāo)準(zhǔn)。1981年，美籍華裔科學(xué)家崔琦和德國(guó)科學(xué)家霍斯特·施特默又發(fā)現(xiàn)了分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)。這兩項(xiàng)發(fā)現(xiàn)分別獲得1985年和1998年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
此后40余年間，分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)研究受到了廣泛關(guān)注。對(duì)分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)的研究，已經(jīng)衍生出了拓?fù)湫颉?fù)合費(fèi)米子等理論成果，并逐漸成為多體物理學(xué)的基本模型。
2013年，中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)在無(wú)磁場(chǎng)的情況下觀測(cè)到了整數(shù)量子反常霍爾態(tài)。2023年，美國(guó)和中國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)分別獨(dú)立在雙層轉(zhuǎn)角碲化鉬中，觀測(cè)到分?jǐn)?shù)量子反常霍爾態(tài)。
操控量子系統(tǒng)之夢(mèng)：
能不能“隨心所欲”做研究
要研究分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，首先要制備出分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)。
傳統(tǒng)的量子霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究采用“自頂而下”的方式，即在特定材料的基礎(chǔ)上，利用該材料已有的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)實(shí)現(xiàn)制備量子霍爾態(tài)，并對(duì)量子霍爾態(tài)進(jìn)行研究。
“傳統(tǒng)‘自頂而下’的方式的優(yōu)勢(shì)在于可以在自然界找到相應(yīng)的材料。但通常情況下，開(kāi)展研究時(shí)需要極低溫環(huán)境、極高的二維材料純凈度和極強(qiáng)的磁場(chǎng)，實(shí)驗(yàn)要求較為苛刻。此外，該方法難以對(duì)系統(tǒng)微觀量子態(tài)進(jìn)行單點(diǎn)位獨(dú)立操控和測(cè)量。”潘建偉說(shuō)。
一直以來(lái)，科學(xué)家們都想走一條“自底而上”的路。畢竟，在量子計(jì)算的國(guó)際科技競(jìng)爭(zhēng)中，誰(shuí)能盡早掌握人工搭建量子系統(tǒng)的方法，誰(shuí)就有可能以更快的速度贏得“比賽”。
“‘自頂而下’就像有一座山，我們要在山里鑿洞做房子，受現(xiàn)實(shí)條件約束，不能隨心所欲。‘自底而上’好比我們用磚塊蓋房子，可以按照自己的意愿來(lái)蓋。”論文通訊作者、中國(guó)科大教授陸朝陽(yáng)說(shuō)。
潘建偉介紹，人工搭建的量子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰、靈活可控，是一種研究復(fù)雜量子物態(tài)的新范式。其優(yōu)勢(shì)在于，無(wú)需外磁場(chǎng)，通過(guò)變換耦合形式即可構(gòu)造出等效人工規(guī)范場(chǎng)；通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行高精度可尋址的操控，可實(shí)現(xiàn)對(duì)高集成度量子系統(tǒng)微觀性質(zhì)的全面測(cè)量和可控利用。
“這類技術(shù)被稱為量子模擬，是第二次量子革命的重要內(nèi)容。”潘建偉說(shuō)。
此前，國(guó)際上已經(jīng)基于此開(kāi)展了一些合成拓?fù)湮飸B(tài)、研究拓?fù)湫再|(zhì)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(qiáng)度的限制，人們一直未能在二維晶格中為光子構(gòu)建人工規(guī)范場(chǎng)。”陸朝陽(yáng)說(shuō)。
用光子模擬出量子態(tài)：
全新的量子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
在量子模擬技術(shù)方面，潘建偉等人選擇了一條與眾不同的賽道——用光子模擬電子以實(shí)現(xiàn)分?jǐn)?shù)量子反常霍爾態(tài)。
第一步，將光子囚禁到“盒子”里。團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上自主研發(fā)和命名了一種俗稱“光子盒”的新型超導(dǎo)量子比特，將其排布為4×4的晶格陣列，并為光子提供更強(qiáng)的相互排斥作用，以模擬電子之間的庫(kù)侖相互作用。
第二步，讓光子在“光子盒”間“跳舞”。團(tuán)隊(duì)通過(guò)交流耦合的方式，構(gòu)造出作用于光子的等效磁場(chǎng)，使光子繞晶格流動(dòng)。“這個(gè)過(guò)程就像讓光子有了一種‘記憶能力’，讓它們?cè)诶@圈圈的過(guò)程中記住自己的路徑相關(guān)信息。”陸朝陽(yáng)說(shuō)。
這兩步是用光子模擬分子量子霍爾態(tài)的關(guān)鍵難題。走完這兩步后，研究人員觀測(cè)到了分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)獨(dú)有的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)性質(zhì)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的分?jǐn)?shù)霍爾電導(dǎo)。同時(shí)，他們通過(guò)引入局域勢(shì)場(chǎng)的方法，跟蹤了準(zhǔn)粒子的產(chǎn)生過(guò)程，證實(shí)了準(zhǔn)粒子的不可壓縮性質(zhì)。
“人造系統(tǒng)具有可尋址、單點(diǎn)位獨(dú)立控制和讀取，以及可編程性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，為實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和操縱提供了新手段。”陸朝陽(yáng)說(shuō)。
對(duì)于這項(xiàng)研究，《科學(xué)》審稿人認(rèn)為，這是“一種新穎的局域單點(diǎn)控制和自底而上的途徑”，“有潛力為實(shí)現(xiàn)非阿貝爾拓?fù)鋺B(tài)開(kāi)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(cè)的”。
沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者彼得·佐勒評(píng)價(jià)：“這在科學(xué)和技術(shù)上都是一項(xiàng)杰出的成就……實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)是多年來(lái)全球頂級(jí)實(shí)驗(yàn)室競(jìng)爭(zhēng)的量子模擬的‘圣杯’之一。”
潘建偉表示，下一步，團(tuán)隊(duì)一方面將研制專用量子模擬機(jī)，用可控的方式構(gòu)建分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)，以理解分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)；另一方面，將在未來(lái)一兩年內(nèi)用分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)激發(fā)出準(zhǔn)粒子，并探索研制具有更高容錯(cuò)能力的拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)。
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1126/science.ado3912
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