国际首次!我国科学家实现光子的分数量子反常霍尔态,或将引领量子“二次革命”!

来源:科普中国 发布时间:2024年05月13日 作者:中国科技新闻网

中国科学技术大学的潘建伟院士团队在量子物理学领域取得了重大突破,他们利用“自底而上”的量子模拟方法,在国际上首次实现了光子的分数量子反常霍尔态。这一成果为高效开展更多、更新奇的量子物态研究提供了新路径,有望助力推进“第二次量子革命”。

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。霍尔效应被广泛应用于电磁感测领域,而反常霍尔效应则是指无需外部磁场的情况下观测到相关效应。

传统的量子霍尔效应研究采用“自顶而下”的方式,即在特定材料的基础上,利用这些材料的固有结构和性质来实现量子霍尔态。这种方法需要特定的条件,比如极低温环境、高纯度的二维材料和强磁场,这些条件往往很难满足,且对实验的控制和操作有限制。

图片来源:中国科学技术大学官方微博

相比之下,潘建伟团队的“自底而上”方法利用人工搭建的量子系统,结构清晰、灵活可控,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。这种方法的优势在于提供了更高的灵活性和可控性,研究者可以精确地控制每一个组件,从而更好地理解和操纵量子系统。

研究团队利用自主研发的一种新型超导量子比特Plasmonium,成功实现光子间的非线性相互作用,并进一步构建出作用于光子的等效磁场以构造人工规范场,从而实现了光子的分数量子反常霍尔态。

诺贝尔物理学奖得主弗朗克·维尔切克对这项研究给予了高度评价,他表示:“这种‘自底而上’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”。相关成果已于2024年5月3日在国际学术期刊《科学》上发表。

在实现光子的分数量子反常霍尔态的研究中,确保所观测到的拓扑关联性质与理论预期一致,并且具备可重复性,需要采取一系列严格的实验步骤和质量控制措施。以下是几个关键点:

1、实验设计的严谨性

首先,实验设计必须基于坚实的理论基础,确保实验设备和方法能够准确模拟预期的量子现象。这包括选择合适的实验材料、精确的实验参数设置,以及对实验环境的精细调控。

2、数据采集与分析的准确性

在数据采集过程中,必须使用高精度的仪器和技术,以确保数据的准确性和可靠性。数据分析时,需要运用恰当的统计方法和误差分析,以验证观测到的现象是否具有统计意义,并且与其他研究结果相符。

3、可重复性的验证

为了证明实验结果的可重复性,需要进行多次独立的实验,并在不同的实验条件下重复观测相同的量子现象。这有助于排除偶然因素的影响,并确保结果的一致性。

4、同行评审与学术交流

将研究成果提交给同行评审,并通过学术会议和期刊论文等方式与国际学术界分享,可以让其他研究者复制实验,并对结果进行验证。这样的开放性也有助于提高研究的透明度和可信度。

5、持续的技术改进

科研团队需要不断对实验技术进行改进和完善,以适应不断变化的实验需求和提高实验效率。这可能涉及到开发新的实验工具、优化实验流程,或者采用最新的研究成果来提升实验的可重复性和精确度。

在最新的研究中,中国科学技术大学的潘建伟院士团队采用了“自底而上”的量子模拟方法,实现了光子的分数量子反常霍尔态,这一成果已经在国际学术期刊《科学》上发表。研究中使用的超导量子比特Plasmonium和通过交流耦合构造出的等效磁场,使得光子绕晶格的流动可以积累Berry相位,这些都是实现光子分数量子反常霍尔效应的关键技术。

为了确保观测到的拓扑关联性质与理论预期一致,并且具备可重复性,研究团队可能进行了多次实验,并且在不同的实验条件下重复观测相同的量子现象。此外,研究结果经过了同行评审,并且在国际学术会议上进行了展示,这些都是确保研究质量和可靠性的重要步骤。

考虑到量子计算的实用化前景,光子分数量子反常霍尔态的实现对于提高量子计算机的纠错能力和稳定性有哪些启示?

1、光子分数量子反常霍尔态对量子计算机纠错能力的启示

光子分数量子反常霍尔态的实现为量子计算机的纠错能力提供了新的思路。在量子计算中,由于量子位的叠加态特性,量子信息容易受到噪声和干扰,导致信息的丢失或错误。分数量子霍尔态的实现,尤其是在没有外部磁场的情况下观测到的反常霍尔效应,为量子计算机的稳定性和纠错能力提供了新的解决方案。

2、光子分数量子反常霍尔态对量子计算机稳定性的启示

光子分数量子反常霍尔态的实现,展示了通过光学模拟实现分数量子霍尔物理的方法。这种方法的优势在于提供了更高的灵活性和可控性,研究者可以精确地控制每一个组件,从而更好地理解和操纵量子系统。这种“自底而上”的方法,即通过人工方式逐步构建更复杂的系统和结构,为量子计算机的稳定性提供了新的视角。在量子计算领域,这种方法涉及从最基础的量子位开始,通过精确控制和设计来搭建复杂的量子系统,如使用光子在人造环境中模拟量子多体系统。

光子分数量子反常霍尔态的实现,为量子计算机的纠错能力和稳定性提供了新的启示,同时也为量子计算实用化打开了新的可能性。这种新的实验平台可能会催生新的量子计算协议、量子算法和量子硬件,这些都是推动技术进步的关键因素。掌握类似方法的国家或研究机构有可能在全球量子计算竞争中占据有利位置。

光子分数量子反常霍尔态的实现不仅是一项重要的科学研究成就,也为量子计算机的实际应用带来了深远的影响,特别是在提高量子计算机的纠错能力和稳定性方面提供了新的思路和方法。