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【中国科学报】他们让光子跳出霍尔舞步

国际首次!中国科大研发出新型量子模拟技术平台

2024-05-07 中国科学报 倪思洁
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16个非线性“光子盒”阵列囚禁的微波光子强相互作用形成分数量子反常霍尔态示意图。受访者供图

5月6日,中国科学技术大学(以下简称中国科大)研究团队在京发布新成果。他们将自主研发的“光子盒”排布成阵列,在国际上首次实现了基于光子的分数量子反常霍尔态,为物理学家创造出一种研究分数量子霍尔效应的新平台。相关研究成果近日发表于《科学》。

论文通讯作者、中国科大教授潘建伟院士介绍,该成果是量子模拟技术的重要突破,将很快用于模拟量子系统,推动量子物理研究和量子计算的发展。

《科学》审稿人认为这一工作“是利用相互作用光子进行量子模拟的重大进展”。诺贝尔物理学奖得主、美国麻省理工学院教授弗朗克·维尔切克将其评价为“一个非常有前途的想法”,“向基于准粒子的量子信息处理迈出了重要一步”。

分数量子霍尔效应:

量子计算走向实用的关键课题

随着量子计算发展的速度和热度不断提升,分数量子霍尔效应研究成为全球顶级实验室竞相追逐的热点。

之所以如此,是因为分数量子霍尔态可以激发出局域的准粒子。这种准粒子具有奇异的分数统计和拓扑保护性质,有望成为拓扑量子计算的载体。而拓扑量子计算有更大的容错能力,能够突破传统量子计算走向实用过程中的容错能力困境。

量子霍尔效应和量子反常霍尔效应是人类百年来一直研究的问题。

“霍尔效应”是指当电流通过置于磁场中的材料时,电子受到洛伦兹力的作用,在材料内部产生垂直于电流和磁场方向的电压。这个效应由美国科学家霍尔在1879年发现,被广泛应用于电磁感测领域。

“反常霍尔效应”则是指在没有外部磁场的情况下能观察到的类似于霍尔效应的现象。

1980年,德国科学家克劳斯·冯·克利钦发现在极低温和强磁场条件下,霍尔态的电导率曲线总是在整数位置出现一条稳定的平线。这被称为“整数量子霍尔效应”,为精确测量电阻提供了标准。1981年,美籍华裔科学家崔琦和德国科学家霍斯特·施特默又发现了分数量子霍尔效应。这两项发现分别获得1985年和1998年诺贝尔物理学奖。

此后40余年间,分数量子霍尔效应研究受到了广泛关注。对分数量子霍尔态的研究,已经衍生出了拓扑序、复合费米子等理论成果,并逐渐成为多体物理学的基本模型。

2013年,中国研究团队在无磁场的情况下观测到了整数量子反常霍尔态。2023年,美国和中国的研究团队分别独立在双层转角碲化钼中,观测到分数量子反常霍尔态。

操控量子系统之梦:

能不能“随心所欲”做研究

要研究分数量子霍尔效应,首先要制备出分数量子霍尔态。

传统的量子霍尔效应实验研究采用“自顶而下”的方式,即在特定材料的基础上,利用该材料已有的结构和性质实现制备量子霍尔态,并对量子霍尔态进行研究。

“传统‘自顶而下’的方式的优势在于可以在自然界找到相应的材料。但通常情况下,开展研究时需要极低温环境、极高的二维材料纯净度和极强的磁场,实验要求较为苛刻。此外,该方法难以对系统微观量子态进行单点位独立操控和测量。”潘建伟说。

一直以来,科学家们都想走一条“自底而上”的路。毕竟,在量子计算的国际科技竞争中,谁能尽早掌握人工搭建量子系统的方法,谁就有可能以更快的速度赢得“比赛”。

“‘自顶而下’就像有一座山,我们要在山里凿洞做房子,受现实条件约束,不能随心所欲。‘自底而上’好比我们用砖块盖房子,可以按照自己的意愿来盖。”论文通讯作者、中国科大教授陆朝阳说。

潘建伟介绍,人工搭建的量子系统结构清晰、灵活可控,是一种研究复杂量子物态的新范式。其优势在于,无需外磁场,通过变换耦合形式即可构造出等效人工规范场;通过对系统进行高精度可寻址的操控,可实现对高集成度量子系统微观性质的全面测量和可控利用。

“这类技术被称为量子模拟,是第二次量子革命的重要内容。”潘建伟说。

此前,国际上已经基于此开展了一些合成拓扑物态、研究拓扑性质的量子模拟工作。“然而,由于以往系统中耦合形式和非线性强度的限制,人们一直未能在二维晶格中为光子构建人工规范场。”陆朝阳说。

用光子模拟出量子态:

全新的量子实验平台

在量子模拟技术方面,潘建伟等人选择了一条与众不同的赛道——用光子模拟电子以实现分数量子反常霍尔态。

第一步,将光子囚禁到“盒子”里。团队在国际上自主研发和命名了一种俗称“光子盒”的新型超导量子比特,将其排布为4×4的晶格阵列,并为光子提供更强的相互排斥作用,以模拟电子之间的库仑相互作用。

第二步,让光子在“光子盒”间“跳舞”。团队通过交流耦合的方式,构造出作用于光子的等效磁场,使光子绕晶格流动。“这个过程就像让光子有了一种‘记忆能力’,让它们在绕圈圈的过程中记住自己的路径相关信息。”陆朝阳说。

这两步是用光子模拟分子量子霍尔态的关键难题。走完这两步后,研究人员观测到了分数量子霍尔态独有的拓扑关联性质,验证了该系统的分数霍尔电导。同时,他们通过引入局域势场的方法,跟踪了准粒子的产生过程,证实了准粒子的不可压缩性质。

“人造系统具有可寻址、单点位独立控制和读取,以及可编程性强的优势,为实验观测和操纵提供了新手段。”陆朝阳说。

对于这项研究,《科学》审稿人认为,这是“一种新颖的局域单点控制和自底而上的途径”,“有潜力为实现非阿贝尔拓扑态开辟一条新的途径,这是利用二维电子气材料的传统方法很难探测的”。

沃尔夫物理学奖获得者彼得·佐勒评价:“这在科学和技术上都是一项杰出的成就……实现这样的目标是多年来全球顶级实验室竞争的量子模拟的‘圣杯’之一。”

潘建伟表示,下一步,团队一方面将研制专用量子模拟机,用可控的方式构建分数量子霍尔态,以理解分数量子霍尔效应;另一方面,将在未来一两年内用分数量子霍尔态激发出准粒子,并探索研制具有更高容错能力的拓扑量子计算机。

相关论文信息:https://doi.org/10.1126/science.ado3912

(原载于《中国科学报》?2024-05-07?第1版?要闻)
打印 责任编辑:梁春雨

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