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

  • 第二十一届中国长春电影节开幕

  • 殷玉珍与“赛考斯”重逢

独家策划

推荐阅读
8月22日,第二届世界人形机器人运动会在国家速滑馆开幕,16个国家的666支赛队、2056台机器人参与竞逐。与此同时,2026世界机器人大会正在北京亦庄举办,汇聚全球前沿技术与产业成果,全面展现机器人走向千行百业的发展新趋势。
2026-08-24 10:17
六氟化硫是高压电力设备不可或缺的绝缘、灭弧介质,可它偏偏是一种强温室气体。更棘手的是,现阶段又很难找到一种合适的气体完全替代它。如何尽可能不让它进入大气?这是我们一直想解决的难题。
2026-08-24 10:16
所谓数字孪生,就是把一个物理实体在虚拟世界1∶1复刻——可以是一条产线、一个车间,甚至一座工厂。在胡少雄看来,数字孪生的高阶形态,是会“自感知、自决策、自执行”的智能体,这离不开传感器、人工智能算法、通信技术协同进化。
2026-08-24 10:12
中国科学院院士、华中农业大学教授、湖北洪山实验室主任张启发提出“双水双绿”理念,用一块田既种“绿色水稻”,又养“绿色水产”,发展水稻、水产“双水”产业,做优绿色稻米、绿色小龙虾等“双绿”产品。
2026-08-24 09:56
当厘清科研人员转化风险责任边界,构建专业化技术转移制度,明确技术转移机构设立条件及主要职责,通过完善相关制度,着力解决“不愿转”“不敢转”和“不会转”的问题,充分保护科研人员投身成果转化的积极性与主动性。
2026-08-24 09:48
2013年,东正光学的创始团队在广东深圳租下第一间厂房。4年后,当工业光学与电影影像的积累具备向更广泛创作者群体转化的条件时,东正光学重返消费市场,推出Thypoch(叙)品牌。
2026-08-21 07:20
7月17日,习近平主席在2026世界人工智能大会暨人工智能全球治理高级别会议开幕式上发表题为《携手构建公正合理的全球人工智能治理体系》的主旨讲话。
2026-08-21 02:00
近期,因冬季寒区试车而闻名的边疆小城——黑龙江黑河迎来了反季节试车热潮。在试运行的全球规模最大四季低温汽车试验场内,零下30摄氏度的室内一片冰天雪地,来自多个车企与零部件厂商的测试车辆正自如驰骋,借助静态低温舱、冰雪圆环、多角度对开坡道等专业场景展开性能测试。
2026-08-21 03:40
最新统计数据显示,截至2026年7月底,江苏省光伏发电累计装机容量突破1亿千瓦,占全省电力总装机的比重超38%,成为全省第一大电源。图为8月19日,在扬州市邗江区公道镇,电力运维工人在检查渔光互补发电设备运行情况。
2026-08-21 03:40
近期,南华大学核科学技术学院韦悦周教授团队从稀土矿渣中直接分离得到高纯度的阿尔法核素铅-212及其前体核素钍-228,并成功实现了单批次从公斤级稀土矿渣中分离提取158微居里的铅-212/铋-212。
2026-08-21 03:50
近日,中国科学院海洋研究所联合美国加州大学圣巴巴拉分校等机构,在南极冰盖近期质量变化的气候驱动机制研究方面取得重要进展。研究发现,2021—2023年热带暖池持续增暖激发向南极传播的罗斯贝波列,形成东南极南北向偶极环流,重组水汽输送并增强区域降雪,从而暂时减缓了南极冰盖质量损失。
2026-08-21 03:50
习近平总书记在国家科学技术奖励大会、两院院士大会、中国科协第十一次全国代表大会上的讲话中指出,我国正从全球科技参与者、贡献者向开拓者、引领者加速转变,成为创新力上升最快的国家之一。
2026-08-20 02:10
中国信息通信研究院18日发布的《具身智能训练场研究报告(2026年)》显示,随着各部门密集部署人形机器人中试基地和训练场建设,我国具身智能训练场已经成为关键基础设施,形成规模化集群化布局。
2026-08-20 02:10
19日,朱雀三号遥二运载火箭在东风商业航天创新试验区发射升空。火箭一子级按预定程序成功软着陆于甘肃省民勤县朱雀三号着陆场坪,二子级将搭载的鸿鹄03星顺利送入预定轨道,飞行试验任务取得圆满成功,为后续开展回收箭体检修维护、复用飞行和商业化应用奠定基础。本次任务是继7月10日长征十号乙运载火箭一子级海上网系成功回收后,我国首次成功实施重复使用运载火箭一子级着陆腿方式陆地可控回收,标志着我国重复使用火箭技术取得重大突破。
2026-08-20 04:00
19日从中国科学技术协会了解到,为大力弘扬科学精神,营造风清气正的学术生态,加快建设世界一流科技期刊,中国科技期刊卓越行动计划(以下简称“卓越计划”)入选期刊及集群共同倡议“恪守科研诚信和学术道德”。
2026-08-20 04:00
近几个月来,北京大模型捷报频传:Kimi K3发布当前最大开源模型,综合智能水平直逼国际两大尖端闭源模型;小米MiMo-V2.5在通用图形处理器上实现推理速度大幅突破,并登顶全球多模型聚合平台公布的大模型调用量榜首;字节跳动发布新一代视频生成模型Seedance 2.5,在生成时长、多模态理解、编辑精度等维度实现全面升级。
2026-08-20 04:00
“或为近150年最强”“或为自1951年以来最强气候事件”……最近,关于2026年形成超强厄尔尼诺的新闻很受关注。预计赤道中东太平洋海表温度将继续维持波动上升态势,于今年11月至12月前后达到本次事件峰值。
2026-08-19 09:51
宁夏平原,黄河水沿着叶脉般的渠道淌进田间。”  青铜峡灌区是全国6个特大型灌区之一,是世界灌溉工程遗产宁夏引黄古灌区的重要组成部分。”  完成全域一体的信息化建设,这是青铜峡灌区从“治水”走向“智水”的关键一步。
2026-08-19 09:46
直面现实困境,1989年青海省委作出“绿化南北两山,改善西宁生态环境”的战略决策,西宁市积极响应。18年间,他在山上劳动超3000天,带领群众栽种树木近3000万株,让3.75万亩荒山披绿,筑起守护西宁的生态屏障。
2026-08-19 09:45
主刊收到投稿400余篇,已出版60篇,其中包括多个我国科研团队的最新重要原创成果……在日前举行的Vita期刊首期发布暨生命科学开放联盟一周年交流会上,Vita(《生命》)系列期刊正式亮相。
2026-08-19 09:45
加载更多