时间：2024-05-07 18:32:45 作者：中国自主研发命名新型超导量子比特 实现量子研究国际重大突破 浏览量：44013
中新网北京5月6日电 (记者 孙自法)中国科学院5月6日在北京举行专题新闻发布会宣布，中国科学技术大学(中国科大)科研团队基于中国科学家自主研发并命名的一种新型超导量子比特，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。
这项量子物理基础研究领域的突破成果，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”。该研究论文由中国科大潘建伟院士和陆朝阳、陈明城教授等共同完成，近日以长文形式在国际著名学术期刊《科学》发表。
研发并命名一种新型超导量子比特
论文共同通讯作者陆朝阳教授在发布会上介绍说，此前，国际上虽已开展了一些合成拓扑物态、研究拓扑性质的量子模拟工作，但由于以往系统中耦合形式和非线性强度的限制，学界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，中国科大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(等离子体跃迁型)，它打破了目前主流的传输子型(Transmon)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。
科研团队进一步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贝里(Berry)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。同时，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，为本次研究中相关光子量子的实验观测和操纵提供了新的手段。
在本项研究工作中，中国科大团队观测到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，跟踪准粒子的产生过程，证实准粒子的不可压缩性质。
有望近期达到“量子计算优越性”
论文共同通讯作者潘建伟院士指出，此次研究的核心成果，就是利用“自底而上”的量子模拟方法进行量子物态和量子计算研究取得重要进展。
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。
与之相对应，本次研究提出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。
潘建伟表示，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”。
针对“自顶而下”和“自底而上”概念，陆朝阳科普称，如果以构建房屋打比方，前者类似于基于原有山丘从上往下塑造，环境等受限较多，后者则类似采购建材在空地建房，比较自主可控。
构建新型容错量子计算机的起点
对于中国科学家自主研发命名新型超导量子比特，并在国际上首次实现光子的分数量子反常霍尔态这一重大成果，国际同行专家给予高度认可和评价。《科学》杂志审稿人评价认为，这项工作“是利用相互作用光子进行量子模拟的重大进展”，“有潜力为实现非阿贝尔拓扑态开辟一条新的途径”。
诺贝尔物理学奖得主、美国麻省理工学院教授弗朗克·维尔切克(Frank Wilczek)表示，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重要一步，“原本完全是理论，现在变成了现实”。
沃尔夫物理学奖获得者、奥地利因斯布鲁克大学教授彼得·佐勒(Peter Zoller)指出，“这在科学和技术上都是一项杰出的成就”，“实现这样的目标是多年来全球顶级实验室竞争的量子模拟的‘圣杯’之一”。在量子设备上高精度地产生如此高度纠缠的量子态，为研究奇异量子态开启了大门，是实现构建新型容错量子计算机这一长期梦想的起点。
美国华盛顿大学教授许晓栋认为，这项工作的重要意义是创造了一个可以精确调控的量子模拟平台去实现不需要外加磁场的分数量子霍尔态，可为凝聚态物理研究提供前瞻和重要的指导意义。该工作展示了如何用光子来实现量子模拟分数量子霍尔效应，不论技术上还是物理上都很有意义，未来可进一步研究用它来创造一些新奇量子物态。
香港大学教授姚望称，这是一个“非常强大的量子模拟器”，其优美的实验设计将产生重大影响，令人兴奋之处在于其可控性和灵活性，能够访问单个晶格点非常重要，有潜力模拟更多种系统，会显著推进人们对这种长期引人关注的奇异现象的理解。
霍尔效应研究“来龙去脉”
针对本项研究中“霍尔效应”“反常霍尔效应”等诸多专业学术名词比较深奥难懂，中国科大团队在发布会上提供相关材料科普称，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。该效应由美国科学家霍尔在1879年发现，以其命名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40余年间，分数量子霍尔效应尤其受到了广泛的关注。
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。(完)