点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:国际首次!中国科学家实现光子的分数量子反常霍尔态
首页> 科技频道> 综合新闻 > 正文

国际首次!中国科学家实现光子的分数量子反常霍尔态

来源:光明网2024-05-06 18:11

  光明网讯(记者宋雅娟 肖春芳)“这个‘光子盒’阵列是我们自己设计命名的,叫等离子体跃迁型‘光子盒’,可以将一个个光子囚禁在‘光子盒’里,从而以一种人造的‘自底而上’的方法,实现分数量子霍尔态。”

  5月6日,中国科学院首次实现光子的分数量子反常霍尔态新闻发布会在中国科学院学术会堂举行,中国科学技术大学教授陆朝阳说。

国际首次!中国科学家实现光子的分数量子反常霍尔态

  日前,中国科学技术大学教授潘建伟、陆朝阳、陈明城等利用基于自主研发的Plasmonium(等离子体跃迁型)超导高非简谐性光学谐振器阵列,实现了光子间的非线性相互作用,并进一步在此系统中构建出作用于光子的等效磁场以构造人工规范场,在国际上首次实现了光子的分数量子反常霍尔态。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。相关成果以长文的形式于北京时间5月3日发表在国际学术期刊《科学》上。

国际首次!中国科学家实现光子的分数量子反常霍尔态

成果示意图。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(注:“光子盒”的名字最早来自1930年爱因斯坦和波尔争论中提出的思想实验)

  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,并被广泛应用于电磁感测领域。1980年,德国科学家冯·克利钦发现在极低温和强磁场条件下,霍尔效应出现整数量子化的电导率平台。这一新现象超出了经典物理学的描述,被称为整数量子霍尔效应,它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施特默发现了分数量子霍尔效应。整数和分数量子霍尔效应的发现分别获得1985年和1998年诺贝尔物理学奖。

  此后四十余年间,分数量子霍尔效应尤其受到了广泛的关注。分数量子霍尔态可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。

  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独立在双层转角碲化钼中观测到分数量子反常霍尔效应。

  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。此外,传统“自顶而下”的方法难以对系统微观量子态进行单点位独立地操控和测量,一定程度上限制了其在量子信息科学中的应用。

国际首次!中国科学家实现光子的分数量子反常霍尔态

在非线性光子系统中构建人工规范场,实现光子的分数量子霍尔态

  与之相对地,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。其优势包括: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,并加以进一步可控的利用。这类技术被称为量子模拟,是“第二次量子革命”的重要内容,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”。

  此前,国际上已经基于其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。

  为解决这一重大挑战,科研团队在国际上自主研发并命名了一种新型超导量子比特Plasmonium,打破了目前主流的Transmon(传输子型)量子比特相干性与非简谐性之间的制约,用更高的非简谐性提供了光子间更强的排斥作用。进一步,团队通过交流耦合的方式构造出作用于光子的等效磁场,使光子绕晶格的流动可积累Berry(贝里)相位,解决了实现光子分数量子反常霍尔效应的两个关键难题。

  “这样的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的手段。”陆朝阳说。

  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。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。

  《科学》杂志审稿人高度评价这一工作,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弗朗克·维尔切克评价,这种“自底而上”、用人造原子构建哈密顿量的途径是一个“非常有前途的想法”,这是一个令人印象深刻的实验,为基于任意子的量子信息处理迈出了重要一步。

[ 责编:谢芸 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 第42届中国·哈尔滨国际冰雪节开幕

  • 马德里:彩车巡游迎接“三王节”

独家策划

推荐阅读
“一张网”的构建是我国测绘地理信息事业转型升级的生动实践。
2026-01-06 09:53
具身智能作为人工智能与机器人科学交叉的前沿领域,是新一轮产业变革的技术引擎。
2026-01-06 02:45
我国首次航天员洞穴训练日前在重庆市武隆区圆满结束,28名航天员参加了这次训练。
2026-01-06 02:45
近日,国务院办公厅印发《关于加快场景培育和开放推动新场景大规模应用的实施意见》,意见明确要求构建高水平矿山安全生产智能化应用场景。
2026-01-06 03:05
拔尖创新人才的培养成长,与平台和环境密切相关。记者注意到,与长期以来以竞赛选拔为主导的“关门培养”模式不同,近年来越来越多的中学、高校开始设立新型实验班。这些实验班面向更多学子敞开大门,以综合素质培养为落脚点实施个性化育人,为拔尖创新人才成长发展开辟了新空间。
2026-01-06 03:05
我是一名铁路机车调试工,在中国中车株洲电力机车有限公司干了33年,摸过超过一千万根线缆,听过约十万次受电弓升起的声音。这些年,我带过不少刚毕业的学生,也面试过很多从院校走出来的年轻人。他们理论扎实、认真仔细,但一上手调试真车,常常“当场犯懵”。我发现一个问题:学校教的和现场用的,中间隔着一道“看不见的墙”。
2026-01-06 03:05
面对市场机遇,产业链上市公司正加速卡位布局,以技术升级主动迎接L3级自动驾驶的商业化浪潮。
2026-01-05 09:13
接下来,我们计划测量能量范围更为宽泛的质子能谱,最终覆盖4个量级的能量区间。
2026-01-05 09:08
国务院关于促进科技成果转化工作情况的报告近日提请十四届全国人大常委会第十九次会议审议。报告显示,“十四五”以来,我国科技成果转化实现量质齐升,有效推动科技成果向现实生产力转化。
2026-01-05 03:30
棉花是重要经济作物,其中,陆地棉的纤维产量超过全球总量的95%,在我国栽培广泛。陆地棉原产于美洲,在驯化改良过程中经历多次基因组重排。
2026-01-05 03:30
想象一下,机器的“眼睛”不仅能像人眼一样广阔扫视,还能瞬间锁定关键目标,进行精细“凝视”……或许,这将不再是科幻情景。
2026-01-05 03:30
“深海一号”气田是中国迄今为止自主开发的作业水深最深、地层温压最高、勘探开发难度最大、天然气产能最大的海上气田,最大作业水深超1500米。
2026-01-04 09:00
细胞膜蛋白是药物作用的关键靶点,而核酸适体是一类能够高特异性、高亲和力结合靶标分子的寡核苷酸。
2026-01-04 08:59
意见提出到2030年电网资源优化配置能力有效增强,“西电东送”规模超过4.2亿千瓦,新增省间电力互济能力4000万千瓦左右,支撑新能源发电量占比达到30%左右,接纳分布式新能源能力达到9亿千瓦,支撑充电基础设施超过4000万台。
2026-01-04 08:58
全国农业农村厅局长会议日前在北京召开。会议指出,2025年,各级农业农村部门扎实有力推进乡村全面振兴和农业强国建设重点工作,
2026-01-04 02:05
农村冬闲时节,如今,大伙儿哪能闲得住?这正是提高农民技能水平、拓宽就业门路的好时候。 “我是一位被小奶娃和锅碗瓢盆‘拴住’的普通学员,曾经天天围着锅台转。
2026-01-04 02:05
在东西横跨1600公里的陇原大地上,一场以科技为引擎的农业变革正悄然发生。由甘肃省科协联合教育部门推动建成的62家科技小院,通过“产学研用”深度融合,
2026-01-04 02:05
持续涌现的AI应用场景,促进技术与产业协同发展,催生新业态、新模式、新动能。“高价值的AI场景创新,是创新要素在市场供需驱动下高效集聚、协同耦合的结果,不能脱离市场逻辑主观臆断。
2026-01-05 09:07
2024年,中国制造业顶压前行、向新向优,制造强国发展指数与德国和日本处于同一区间,进入全球制造强国第二阵列,成为继美国、德国、日本后第四个迈入全球制造强国行列的国家。
2025-12-31 08:56
突破性成果勾勒出我国高水平科技自立自强的清晰轨迹。
2025-12-31 08:58
加载更多