中新網(wǎng)北京5月6日電 (記者 孫自法)中國(guó)科學(xué)院5月6日在北京舉行專(zhuān)題新聞發(fā)布會(huì)宣布，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)(中國(guó)科大)科研團(tuán)隊(duì)基于中國(guó)科學(xué)家自主研發(fā)并命名的一種新型超導(dǎo)量子比特，實(shí)現(xiàn)了光子間的非線性相互作用，并進(jìn)一步在此系統(tǒng)中構(gòu)建出作用于光子的等效磁場(chǎng)以構(gòu)造人工規(guī)范場(chǎng)，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了光子的分?jǐn)?shù)量子反常霍爾態(tài)。
5月6日，中國(guó)科學(xué)院在北京舉行“首次實(shí)現(xiàn)光子的分?jǐn)?shù)量子反常霍爾態(tài)”新聞發(fā)布會(huì)。中新網(wǎng)記者 孫自法 攝這項(xiàng)量子物理基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的突破成果，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”。該研究論文由中國(guó)科大潘建偉院士和陸朝陽(yáng)、陳明城教授等共同完成，近日以長(zhǎng)文形式在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》發(fā)表。
研發(fā)并命名一種新型超導(dǎo)量子比特
論文共同通訊作者陸朝陽(yáng)教授在發(fā)布會(huì)上介紹說(shuō)，此前，國(guó)際上雖已開(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，但由于以往系統(tǒng)中耦合形式和非線性強(qiáng)度的限制，學(xué)界一直未能在二維晶格中為光子構(gòu)建人工規(guī)范場(chǎng)。
5月6日，中國(guó)科學(xué)院在北京舉行“首次實(shí)現(xiàn)光子的分?jǐn)?shù)量子反常霍爾態(tài)”新聞發(fā)布會(huì)，中國(guó)科大教授陸朝陽(yáng)介紹本次研究成果。中新網(wǎng)記者 孫自法 攝為解決這一重大挑戰(zhàn)，中國(guó)科大科研團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上自主研發(fā)并命名了一種新型超導(dǎo)量子比特Plasmonium(等離子體躍遷型)，它打破了目前主流的傳輸子型(Transmon)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(qiáng)的排斥作用。
科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過(guò)交流耦合的方式構(gòu)造出作用于光子的等效磁場(chǎng)，使光子繞晶格的流動(dòng)可積累貝里(Berry)相位，解決了實(shí)現(xiàn)光子分?jǐn)?shù)量子反常霍爾效應(yīng)的兩個(gè)關(guān)鍵難題。同時(shí)，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(shì)，為本次研究中相關(guān)光子量子的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和操縱提供了新的手段。
在本項(xiàng)研究工作中，中國(guó)科大團(tuán)隊(duì)觀測(cè)到分?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，跟蹤準(zhǔn)粒子的產(chǎn)生過(guò)程，證實(shí)準(zhǔn)粒子的不可壓縮性質(zhì)。
有望近期達(dá)到“量子計(jì)算優(yōu)越性”
論文共同通訊作者潘建偉院士指出，此次研究的核心成果，就是利用“自底而上”的量子模擬方法進(jìn)行量子物態(tài)和量子計(jì)算研究取得重要進(jìn)展。
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(chǎng)，對(duì)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(duì)系統(tǒng)微觀量子態(tài)進(jìn)行單點(diǎn)位獨(dú)立地操控和測(cè)量，一定程度上限制了其在量子信息科學(xué)中的應(yīng)用。
本次研究成果示意圖。中國(guó)科大/供圖與之相對(duì)應(yīng)，本次研究提出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(shì)包括：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，并加以進(jìn)一步可控的利用。
潘建偉表示，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(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”。
針對(duì)“自頂而下”和“自底而上”概念，陸朝陽(yáng)科普稱(chēng)，如果以構(gòu)建房屋打比方，前者類(lèi)似于基于原有山丘從上往下塑造，環(huán)境等受限較多，后者則類(lèi)似采購(gòu)建材在空地建房，比較自主可控。
構(gòu)建新型容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)的起點(diǎn)
對(duì)于中國(guó)科學(xué)家自主研發(fā)命名新型超導(dǎo)量子比特，并在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)光子的分?jǐn)?shù)量子反常霍爾態(tài)這一重大成果，國(guó)際同行專(zhuān)家給予高度認(rèn)可和評(píng)價(jià)。《科學(xué)》雜志審稿人評(píng)價(jià)認(rèn)為，這項(xiàng)工作“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(kāi)辟一條新的途徑”。
本次研究成果示意圖：在非線性光子系統(tǒng)中構(gòu)建人工規(guī)范場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)光子的分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)。中國(guó)科大/供圖諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主、美國(guó)麻省理工學(xué)院教授弗朗克·維爾切克(Frank Wilczek)表示，這種“自底而上”、用人造原子構(gòu)建哈密頓量的途徑是一個(gè)“非常有前途的想法”。這是一個(gè)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重要一步，“原本完全是理論，現(xiàn)在變成了現(xiàn)實(shí)”。
沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者、奧地利因斯布魯克大學(xué)教授彼得·佐勒(Peter Zoller)指出，“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”。在量子設(shè)備上高精度地產(chǎn)生如此高度糾纏的量子態(tài)，為研究奇異量子態(tài)開(kāi)啟了大門(mén)，是實(shí)現(xiàn)構(gòu)建新型容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)這一長(zhǎng)期夢(mèng)想的起點(diǎn)。
美國(guó)華盛頓大學(xué)教授許曉棟認(rèn)為，這項(xiàng)工作的重要意義是創(chuàng)造了一個(gè)可以精確調(diào)控的量子模擬平臺(tái)去實(shí)現(xiàn)不需要外加磁場(chǎng)的分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)，可為凝聚態(tài)物理研究提供前瞻和重要的指導(dǎo)意義。該工作展示了如何用光子來(lái)實(shí)現(xiàn)量子模擬分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，不論技術(shù)上還是物理上都很有意義，未來(lái)可進(jìn)一步研究用它來(lái)創(chuàng)造一些新奇量子物態(tài)。
本次研究觀察到分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)和拓?fù)涔庾恿鳌Ｖ袊?guó)科大/供圖香港大學(xué)教授姚望稱(chēng)，這是一個(gè)“非常強(qiáng)大的量子模擬器”，其優(yōu)美的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)將產(chǎn)生重大影響，令人興奮之處在于其可控性和靈活性，能夠訪問(wèn)單個(gè)晶格點(diǎn)非常重要，有潛力模擬更多種系統(tǒng)，會(huì)顯著推進(jìn)人們對(duì)這種長(zhǎng)期引人關(guān)注的奇異現(xiàn)象的理解。
霍爾效應(yīng)研究“來(lái)龍去脈”
針對(duì)本項(xiàng)研究中“霍爾效應(yīng)”“反常霍爾效應(yīng)”等諸多專(zhuān)業(yè)學(xué)術(shù)名詞比較深?yuàn)W難懂，中國(guó)科大團(tuán)隊(duì)在發(fā)布會(huì)上提供相關(guān)材料科普稱(chēng)，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。該效應(yīng)由美國(guó)科學(xué)家霍爾在1879年發(fā)現(xiàn)，以其命名并被廣泛應(yīng)用于電磁感測(cè)領(lǐng)域。
本次研究觀察到準(zhǔn)粒子的不可壓縮和分?jǐn)?shù)霍爾電導(dǎo)。中國(guó)科大/供圖1980年，德國(guó)科學(xué)家馮·克利欽發(fā)現(xiàn)在極低溫和強(qiáng)磁場(chǎng)條件下，霍爾效應(yīng)出現(xiàn)整數(shù)量子化的電導(dǎo)率平臺(tái)，這一新現(xiàn)象超出經(jīng)典物理學(xué)的描述，被稱(chēng)為整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，它為精確測(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)家施特默發(fā)現(xiàn)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(jiǎng)。此后40余年間，分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)尤其受到了廣泛的關(guān)注。
反常霍爾效應(yīng)是指無(wú)需外部磁場(chǎng)的情況下觀測(cè)到相關(guān)效應(yīng)。2013年，中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)觀測(cè)到整數(shù)量子反常霍爾效應(yīng)。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)量子反常霍爾效應(yīng)。(完)