科創(chuàng )動(dòng)態(tài)

中國科大首次實(shí)現光子的分數量子反?;魻枒B(tài)

來(lái)源:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)發(fā)布時(shí)間:2024-05-07

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽(yáng)、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(jiǎn)諧性光學(xué)諧振器陣列,實(shí)現了光子間的非線(xiàn)性相互作用,并進(jìn)一步在此系統中構建出作用于光子的等效磁場(chǎng)以構造人工規范場(chǎng),在國際上首次實(shí)現了光子的分數量子反?;魻枒B(tài)。這是利用“自底而上”的量子模擬方法進(jìn)行量子物態(tài)和量子計算研究的重要進(jìn)展。相關(guān)成果以長(cháng)文的形式于北京時(shí)間5月3日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》(Science)上。

霍爾效應是指當電流通過(guò)置于磁場(chǎng)中的材料時(shí),電子受到洛倫茲力的作用,在材料內部產(chǎn)生垂直于電流和磁場(chǎng)方向的電壓。這個(gè)效應由美國科學(xué)家霍爾在1879年發(fā)現,并被廣泛應用于電磁感測領(lǐng)域。1980年,德國科學(xué)家馮·克利欽發(fā)現在極低溫和強磁場(chǎng)條件下,霍爾效應出現整數量子化的電導率平臺。這一新現象超出了經(jīng)典物理學(xué)的描述,被稱(chēng)為整數量子霍爾效應,它為精確測量電阻提供了標準。1981年,美籍華裔科學(xué)家崔琦和德國科學(xué)家施特默發(fā)現了分數量子霍爾效應。整數和分數量子霍爾效應的發(fā)現分別獲得1985年和1998年諾貝爾物理學(xué)獎。

此后四十余年間,分數量子霍爾效應尤其受到了廣泛的關(guān)注。由于最低朗道能級簡(jiǎn)并電子的相互作用,分數量子霍爾態(tài)展現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(xué)的基本模型。與此同時(shí),分數量子霍爾態(tài)可激發(fā)出局域的準粒子,這種準粒子具有奇異的分數統計和拓撲保護性質(zhì),有望成為拓撲量子計算的載體。

反?;魻栃侵笩o(wú)需外部磁場(chǎng)的情況下觀(guān)測到相關(guān)效應。2013年,中國研究團隊觀(guān)測到整數量子反?;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(guān)測到分數量子反?;魻栃?。

傳統的量子霍爾效應實(shí)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(zhì)實(shí)現制備量子霍爾態(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(chǎng),對實(shí)驗要求較為苛刻。此外,傳統“自頂而下”的方法難以對系統微觀(guān)量子態(tài)進(jìn)行單點(diǎn)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(xué)中的應用。

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”研究復雜量子物態(tài)的新范式。其優(yōu)勢包括:無(wú)需外磁場(chǎng),通過(guò)變換耦合形式即可構造出等效人工規范場(chǎng);通過(guò)對系統進(jìn)行高精度可尋址的操控,可實(shí)現對高集成度量子系統微觀(guān)性質(zhì)的全面測量,并加以進(jìn)一步可控的利用。這類(lèi)技術(shù)被稱(chēng)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并達到“量子計算優(yōu)越性”。

此前,國際上已經(jīng)基于其開(kāi)展了一些合成拓撲物態(tài)、研究拓撲性質(zhì)的量子模擬工作。然而,由于以往系統中耦合形式和非線(xiàn)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范場(chǎng)。

為解決這一重大挑戰,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(jiǎn)諧性之間的制約,用更高的非簡(jiǎn)諧性提供了光子間更強的排斥作用。進(jìn)一步,團隊通過(guò)交流耦合的方式構造出作用于光子的等效磁場(chǎng),使光子繞晶格的流動(dòng)可積累Berry(貝里)相位,解決了實(shí)現光子分數量子反?;魻栃膬蓚€(gè)關(guān)鍵難題。同時(shí),這樣的人造系統具有可尋址、單點(diǎn)位獨立控制和讀取,以及可編程性強的優(yōu)勢,為實(shí)驗觀(guān)測和操縱提供了新的手段。

在該項工作中,研究人員觀(guān)測到了分數量子霍爾態(tài)獨有的拓撲關(guān)聯(lián)性質(zhì),驗證了該系統的分數霍爾電導。同時(shí),他們通過(guò)引入局域勢場(chǎng)的方法,跟蹤了準粒子的產(chǎn)生過(guò)程,證實(shí)了準粒子的不可壓縮性質(zhì)。

《科學(xué)》雜志審稿人高度評價(jià)這一工作,認為這一工作“是利用相互作用光子進(jìn)行量子模擬的重大進(jìn)展”(a significant advance in quantum simulation with interacting photons),“一種新穎的局域單點(diǎn)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(shí)現非阿貝爾拓撲態(tài)開(kāi)辟一條新的途徑,這是利用二維電子氣材料的傳統方法很難探測的”(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(xué)獎得主Frank Wilczek評價(jià),這種“自底而上”、用人造原子構建哈密頓量的途徑是一個(gè)“非常有前途的想法”(a very promising idea),這是一個(gè)令人印象深刻的實(shí)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(jià),“這在科學(xué)和技術(shù)上都是一項杰出的成就”(a remarkable achievement,?both scientifically and technically),“實(shí)現這樣的目標是多年來(lái)全球頂級實(shí)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(xué)技術(shù)部、國家自然科學(xué)基金委員會(huì )、中國科學(xué)院、安徽省和上海市等的支持。

成果示意圖。16個(gè)非線(xiàn)性“光子盒”陣列囚禁的微波光子強相互作用形成分數量子反?;魻枒B(tài)(注:“光子盒”的名字最早來(lái)自1930年愛(ài)因斯坦和波爾爭論提出的思想實(shí)驗)

在非線(xiàn)性光子系統中構建人工規范場(chǎng),實(shí)現光子的分數量子霍爾態(tài)

觀(guān)察到分數量子霍爾態(tài)的拓撲關(guān)聯(lián)和拓撲光子流

觀(guān)察到準粒子的不可壓縮和分數霍爾電導



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