我國學(xué)者首次實(shí)現(xiàn)光子的分?jǐn)?shù)量子反?；魻枒B(tài)

[本刊訊] 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽、陳明城等利用基于自主研發(fā)的等離子體躍遷型超導(dǎo)高非簡(jiǎn)諧性光學(xué)諧振器陣列，實(shí)現(xiàn)了光子間的非線性相互作用，并構(gòu)建出作用于光子的等效磁場(chǎng)，進(jìn)而構(gòu)造了人工規(guī)范場(chǎng)，首次實(shí)現(xiàn)了光子的分?jǐn)?shù)量子反?；魻枒B(tài)。相關(guān)成果于2024年5月3日發(fā)表在《科學(xué)》（Science）雜志上。

1981年，美籍華裔科學(xué)家崔琦等發(fā)現(xiàn)了分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，并于 1998年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。此后40余年，分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)受到了廣泛關(guān)注。由于最低朗道能級(jí)簡(jiǎn)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，其衍生出的拓?fù)湫?、?fù)合費(fèi)米子等理論模型逐漸成為多體物理學(xué)的基本框架。與此同時(shí)，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。

傳統(tǒng)意義上，量子霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)均采用“自頂而下”的研究范式。在特定材料體系中，利用已知的結(jié)構(gòu)和物性來實(shí)現(xiàn)量子霍爾態(tài)。通常情況下，這種研究都需要極低溫環(huán)境、極高的材料純凈度和極強(qiáng)的磁場(chǎng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)要求較為苛刻。此外，該方法難以對(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。近年來，人工搭建的量子系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)清晰、靈活可控的優(yōu)勢(shì)，掀起了一種“自底而上”研究復(fù)雜量子物態(tài)的新范式。該系統(tǒng)無須外磁場(chǎng)，僅通過變換耦合形式即可構(gòu)造出等效人工規(guī)范場(chǎng)，同時(shí)該系統(tǒng)適用于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。

該研究團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)并命名了一種新型超導(dǎo)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(qiáng)的排斥作用。研究團(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(chǎng)，使光子繞晶格的流動(dòng)可積累貝里相位，實(shí)現(xiàn)了光子分?jǐn)?shù)量子反?；魻栃?yīng)。這種人造系統(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)，為實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和操縱提供了全新手段。此外，研究團(tuán)隊(duì)在該系統(tǒng)中觀測(cè)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)，進(jìn)一步驗(yàn)證了該系統(tǒng)具有分?jǐn)?shù)霍爾電導(dǎo)。同時(shí)，通過引入局域勢(shì)場(chǎng)的方法，跟蹤了準(zhǔn)粒子的產(chǎn)生過程，證實(shí)了準(zhǔn)粒子的不可壓縮性質(zhì)。

光子分?jǐn)?shù)量子反?；魻枒B(tài)的實(shí)現(xiàn)為開展量子領(lǐng)域相關(guān)研究提供了優(yōu)質(zhì)研究平臺(tái)，有望實(shí)現(xiàn)對(duì)高集成度量子系統(tǒng)微觀性質(zhì)的全面測(cè)量和可控利用。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主維爾切克（F. Wilczek）對(duì)這項(xiàng)研究給予了高度評(píng)價(jià)。他認(rèn)為這種“自底而上”的途徑是一個(gè)“非常前瞻性的想法”，這個(gè)工作為基于任意子的量子信息處理邁出了重要一步。

（葛 之）