中国科学家首次实现光子的分数量子反常霍尔态

中新社合肥5月6日电 (记者 吴兰)记者6日从中国科学技术大学获悉，该校潘建伟、陆朝阳、陈明城教授等在国际上首次实现了光子的分数量子反常霍尔态。

相关成果以长文的形式近日发表在国际学术期刊《科学》(Science)上。

霍尔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。1980年德国科学家冯·克利钦发现整数量子霍尔效应，1981年美籍华裔科学家崔琦和德国科学家施特默发现分数量子霍尔效应。这两个发现均获诺贝尔物理学奖。

反常霍尔效应是指无需外部磁场的情况下观测到相关效应。2013年，中国研究团队观测到整数量子反常霍尔效应。2023年，美国和中国的研究团队分别观测到分数量子反常霍尔效应。

“反常霍尔态是指不仅看到反常霍尔效应这个现象，而且还挖掘到了产生这个现象的根源。”陆朝阳教授解释道。

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。通常情况下，需要极低温环境、极高的二维材料纯净度和极强的磁场，对实验要求较为苛刻。

人工搭建的量子系统结构清晰、灵活可控，是一种“自底而上”研究复杂量子物态的新范式。这类技术被称为量子模拟，是“第二次量子革命”的重要内容，有望在近期应用于模拟经典计算困难的量子系统并达到“量子计算优越性”。

据介绍，研究团队利用基于自主研发的一种新型超导量子比特Plasmonium，并进一步在此系统中构造人工规范场，从而获得上述研究成果。这是利用“自底而上”的量子模拟方法进行量子物态和量子计算研究的重要进展。

在该项工作中，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，证实了准粒子的不可压缩性质。

诺贝尔物理学奖得主弗朗克·维尔切克(Frank Wilczek)认为，这是一个令人印象深刻的实验，向基于任意子的量子信息处理迈出了重要一步。(完)