國際首次中國科大研發出新型量子模擬技術平臺

5月6日，中國科學技術大學（以下簡稱中國科大）研究團隊在京發布新成果。他們將自主研發的“光子盒”排布成陣列，在國際上首次實現了基于光子的分數量子反常霍爾態，為物理學家們創造出一種研究分數量子霍爾效應的新平臺。相關成果已發表于《科學》雜志。

論文通訊作者、中國科大教授潘建偉院士介紹，該成果是量子模擬技術的重要突破，將很快用于模擬量子系統，推動量子物理研究和量子計算的發展。

《科學》雜志審稿人認為這一工作“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、麻省理工學院教授弗朗克·維爾切克（Frank Wilczek）將其評價為“一個非常有前途的想法”，“向基于準粒子的量子信息處理邁出了重要一步”。

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量子反常霍爾態。受訪者供圖

分數量子霍爾效應：量子計算走向實用的關鍵課題

隨著量子計算發展的速度和熱度不斷提升，分數量子霍爾效應研究成為全球頂級實驗室競相追逐的熱點。

之所以如此，是因為分數量子霍爾態可以激發出局域的準粒子，這種準粒子具有奇異的分數統計和拓撲保護性質，有望成為拓撲量子計算的載體。而拓撲量子計算有更大的容錯能力，能夠克服傳統量子計算在走向實用的容錯能力困境。

量子霍爾效應和量子反常霍爾效應是人類從百年前至今一直研究的問題。

“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年發現，被廣泛應用于電磁感測領域。

“反常霍爾效應”則是指在沒有外部磁場的情況下也能觀察到的類似于霍爾效應的現象。

1980年，德國科學家馮·克利欽發現在極低溫和強磁場條件下，霍爾態的電導率曲線總是在整數位置出現一條穩定的平線，被稱為“整數量子霍爾效應”，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又發現了分數量子霍爾效應。這兩項發現分別獲得1985年和1998年諾貝爾物理學獎。

此后四十余年間，分數量子霍爾效應研究受到了廣泛的關注。對分數量子霍爾態的研究，已經衍生出了拓撲序、復合費米子等理論成果，并逐漸成為多體物理學的基本模型。

2013年，中國研究團隊在無磁場的情況下，觀測到了整數量子反常霍爾態。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態。

操控量子系統之夢：能不能“隨心所欲”做研究

要研究分數量子霍爾效應，首先要制備出分數量子霍爾態。

傳統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制備量子霍爾態，并對量子霍爾態進行研究。

“傳統‘自頂而下’的方式，其優勢在于可以在自然界里找到相應的材料。但通常情況下，開展研究時需要極低溫環境、極高的二維材料純凈度和極強的磁場，實驗要求較為苛刻，此外，難以對系統微觀量子態進行單點位獨立地操控和測量。”潘建偉說。

一直以來，科學家們都想走一條“自底而上”的路。畢竟，在量子計算的國際科技競爭中，誰能盡早掌握人工搭建量子系統的方法，誰就有可能以更快的速度贏得比賽。

“‘自頂而下’就好比有一座山，我們要在山里鑿洞做房子，受現實條件約束，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蓋。”論文通訊作者、中國科大教授陸朝陽說。

潘建偉介紹，人工搭建的量子系統結構清晰，靈活可控，是一種研究復雜量子物態的新范式。優勢在于，無需外磁場，通過變換耦合形式即可構造出等效人工規范場；通過對系統進行高精度可尋址的操控，可實現對高集成度量子系統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。”潘建偉說。

此前，國際上已經基于其開展了一些合成拓撲物態、研究拓撲性質的量子模擬工作。“然而，由于以往系統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范場。”陸朝陽說。

用光子模擬出量子態：全新的量子實驗平臺

在量子模擬技術方面，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現分數量子反常霍爾態。

第一步，他們將光子囚禁到“盒子”里。團隊在國際上自主研發和命名了一種俗稱“光子盒”的新型超導量子比特（Plasmonium），將其排布為4×4的晶格陣列，并為光子提供更強的相互排斥作用，以模擬電子之間的庫倫相互作用。

第二步，他們讓光子在“光子盒”間“跳舞”。團隊通過交流耦合的方式，構造出作用于光子的等效磁場，使光子繞晶格流動。“這個過程就像給光子安裝了一種‘記憶能力’，讓它們在繞圈圈的過程中記住自己的路徑相關信息。”陸朝陽說。

這兩步是用光子模擬分子量子霍爾態的關鍵難題。走完這兩步后，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。

“人造系統具有可尋址、單點位獨立控制和讀取，以及可編程性強的優勢，為實驗觀測和操縱提供了新的手段。”陸朝陽說。

對于這項研究，《科學》雜志審稿人認為，這是“一種新穎的局域單點控制和自底而上的途徑”，“有潛力為實現非阿貝爾拓撲態開辟一條新的途徑，這是利用二維電子氣材料的傳統方法很難探測的”。

沃爾夫獎獲得者彼得·佐勒（Peter Zoller）評價：“這在科學和技術上都是一項杰出的成就……實現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。”

潘建偉表示，下一步，團隊將研制專用量子模擬機，用可控的方式構建分數量子霍爾態，以理解分數量子霍爾效應。另一方面，團隊也將在未來一兩年內用分數量子霍爾態激發出準粒子，并探索研制具有更高容錯能力的拓撲量子計算機。 

相關論文信息：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado3912