量子模擬實驗有了重大突破。中國科學院6日在京召開新聞發(fā)布會，記者從發(fā)布會上獲悉，利用“自底而上”的量子模擬方法，中國科學技術(shù)大學潘建偉院士團隊在國際上首次實現(xiàn)光子的分數(shù)量子反?；魻枒B(tài)。這是量子物理學和量子信息科學領(lǐng)域的一個重要進展。相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《科學》雜志。 

成果示意圖

霍爾效應(yīng)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(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。反?；魻栃?yīng)是指在沒有外部磁場的情況下觀測到相關(guān)效應(yīng)。

在傳統(tǒng)的量子霍爾效應(yīng)研究中，采用的是“自頂而下”的方法，這通常意味著研究者從已經(jīng)存在的材料出發(fā)，利用這些材料的固有結(jié)構(gòu)和性質(zhì)來實現(xiàn)量子霍爾態(tài)。這種方法需要特定的條件，比如極低溫環(huán)境、高純度的二維材料和強磁場，這些條件往往很難滿足，且對實驗的控制和操作有限制。

與之相對，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”研究復雜量子物態(tài)的新范式?！斑@種方法的優(yōu)勢在于它提供了更高的靈活性和可控性，研究者可以精確地控制每一個組件，從而更好地理解和操縱量子系統(tǒng)?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡摺⒅袊茖W技術(shù)大學教授陸朝陽說，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)典計算困難的量子系統(tǒng)并達到“量子計算優(yōu)越性”。

“通俗來說，如果把量子霍爾效應(yīng)比作一座房子，‘自頂而下’的方法就像是在現(xiàn)有的房子基礎(chǔ)上進行裝修和改造，而‘自底而上’的方法則是從一塊磚、一片瓦開始，完全按照設(shè)計圖紙重新建造一座房子?！标懗栃蜗蟮卣f。 

在非線性光子系統(tǒng)中構(gòu)建人工規(guī)范場，實現(xiàn)光子的分數(shù)量子霍爾態(tài)

此次，研究團隊利用自主研發(fā)的一種新型超導量子比特Plasmonium，成功實現(xiàn)光子間的非線性相互作用，并進一步構(gòu)建出作用于光子的等效磁場以構(gòu)造人工規(guī)范場，從而在國際上首次實現(xiàn)了光子的分數(shù)量子反?；魻枒B(tài)。

諾貝爾物理學獎得主弗蘭克·維爾切克對這項研究給予了高度評價。他說：“這種‘自底而上’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驗，為基于任意子的量子信息處理邁出了重要一步?！?/span>

（科技日報記者 陸成寬 吳長鋒 中國科學院供圖）