記者5月6日獲悉，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽、陳明城教授自主研發(fā)并命名了一種新型超導(dǎo)量子比特Plasmonium，在國際上首次實(shí)現(xiàn)光子的分?jǐn)?shù)量子反常霍爾態(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(jì)算研究的重要進(jìn)展，相關(guān)成果以長文的形式于北京時間5月3日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。
分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)可激發(fā)準(zhǔn)粒子，有望成為拓?fù)淞孔佑?jì)算的載體
霍爾效應(yīng)是指當(dāng)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(nèi)部產(chǎn)生垂直于電流和磁場方向的電壓。這個效應(yīng)由美國科學(xué)家霍爾在1879年發(fā)現(xiàn)，并被廣泛應(yīng)用于電磁感測領(lǐng)域。1980年，德國科學(xué)家馮·克利欽發(fā)現(xiàn)在極低溫和強(qiáng)磁場條件下，霍爾效應(yīng)出現(xiàn)整數(shù)量子化的電導(dǎo)率平臺。這一新現(xiàn)象超出了經(jīng)典物理學(xué)的描述，被稱為整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，它為精確測量電阻提供了標(biāo)準(zhǔn)。1981年，美籍華裔科學(xué)家崔琦和德國科學(xué)家施特默發(fā)現(xiàn)了分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)。整數(shù)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)分別獲得1985年和1998年諾貝爾物理學(xué)獎。
“整數(shù)量子霍爾效應(yīng)是電子在磁場中相互獨(dú)立運(yùn)動，類似于個人獨(dú)舞。分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)是由于電子的強(qiáng)相互作用，呈現(xiàn)出長程量子糾纏和分?jǐn)?shù)電荷激發(fā)，是一種奇異的量子流體，類似于跳舞的時候，別人繞著自己轉(zhuǎn)圈，自己也繞著其他人轉(zhuǎn)圈?！敝袊茖W(xué)技術(shù)大學(xué)教授陸朝陽說。
1981年后的四十余年間，分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)尤其受到廣泛關(guān)注。由于最低朗道能級簡并電子的相互作用，分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)展現(xiàn)出非平庸的多體糾纏，對其進(jìn)行研究所衍生出的拓?fù)湫颉?fù)合費(fèi)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，分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)可激發(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。
反?；魻栃?yīng)是指無需外部磁場的情況下觀測到相關(guān)效應(yīng)。2013年，中國研究團(tuán)隊(duì)觀測到整數(shù)量子反?；魻栃?yīng)。2023年，美國和中國的研究團(tuán)隊(duì)分別獨(dú)立在雙層轉(zhuǎn)角碲化鉬中觀測到分?jǐn)?shù)量子反常霍爾效應(yīng)。
“自底而上”的量子模擬有望達(dá)到“量子計(jì)算優(yōu)越性”
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)。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(qiáng)的磁場，對實(shí)驗(yàn)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(jìn)行單點(diǎn)位獨(dú)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(yīng)用。
與之相對地，人工搭建的量子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰、靈活可控，是一種“自底而上”研究復(fù)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(gòu)造出等效人工規(guī)范場；通過對系統(tǒng)進(jìn)行高精度可尋址的操控，可實(shí)現(xiàn)對高集成度量子系統(tǒng)微觀性質(zhì)的全面測量，并進(jìn)一步加以可控利用。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，有望在近期應(yīng)用于模擬經(jīng)典計(jì)算困難的量子系統(tǒng)并達(dá)到“量子計(jì)算優(yōu)越性”。
陸朝陽說，“自頂而下”的方式類似于將一座山鑿成一個房子，“自底而上”是用一塊塊磚頭搭成一個房子，可以獨(dú)立控制每一個元素?！斑@種新途徑發(fā)現(xiàn)的新物態(tài)和新拓?fù)浔忍貙⑦M(jìn)一步用于更容錯的量子計(jì)算?！?/p>
成果將推動探索容錯能力更強(qiáng)的拓?fù)淞孔佑?jì)算
此前，國際上已經(jīng)基于其開展了一些合成拓?fù)湮飸B(tài)、研究拓?fù)湫再|(zhì)的量子模擬工作。如何實(shí)現(xiàn)光子的分?jǐn)?shù)量子反?；魻枒B(tài)？
團(tuán)隊(duì)在國際上自主研發(fā)并命名了一種新型超導(dǎo)量子比特Plasmonium，提供了光子間更強(qiáng)的排斥作用。進(jìn)一步，團(tuán)隊(duì)通過交流耦合的方式構(gòu)造出作用于光子的等效磁場，好似給光子安裝了一種“記憶能力”，讓它在繞圈的過程中記住路徑的相關(guān)信息，解決了實(shí)現(xiàn)光子分?jǐn)?shù)量子反?；魻栃?yīng)的兩個關(guān)鍵難題。同時，這樣的人造系統(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，為實(shí)驗(yàn)觀測和操縱提供了新的手段。
在該項(xiàng)工作中，研究人員觀測到了分?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)。
《科學(xué)》雜志審稿人高度評價這一工作，認(rèn)為這是“利用相互作用光子進(jìn)行量子模擬的重大進(jìn)展”，“有潛力為實(shí)現(xiàn)非阿貝爾拓?fù)鋺B(tài)開辟一條新的途徑，這是利用二維電子氣材料的傳統(tǒng)方法很難探測的”。
諾貝爾物理學(xué)獎得主Frank Wilczek評價，這種“自底而上”、用人造原子構(gòu)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(shí)驗(yàn)，為基于任意子的量子信息處理邁出了重要一步。沃爾夫獎獲得者Peter Zoller評價稱，“實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)是多年來全球頂級實(shí)驗(yàn)室競爭的量子模擬的圣杯之一”。
“以往，大家只是被動觀測分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，很難理解其背后的規(guī)律。此次我們構(gòu)造了量子模擬機(jī)，是用可控的方式研究這一重要的物理現(xiàn)象?！敝袊茖W(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉稱，另外，此次成果還將有助于探索容錯能力更強(qiáng)的拓?fù)淞孔佑?jì)算。
