国际⾸次！我国在量⼦计算领域获重⼤突破

5⽉6⽇，中国科学技术⼤学（以下简称中国科⼤）研究团队在京发布新成果。他们将⾃主研发的“光⼦盒”排布成阵列，在国际上⾸次实现了基于光⼦的分数量⼦反常霍尔态，为物理学家创造出⼀种研究分数量⼦霍尔效应的新平台。相关研究成果近⽇发表于《科学》。

论⽂通讯作者、中国科⼤教授潘建伟院⼠介绍，该成果是量⼦模拟技术的重要突破，将很快⽤于模拟量⼦系统，推动量⼦物理研究和量⼦计算的发展。《科学》审稿⼈认为这⼀⼯作“是利⽤相互作⽤光⼦进⾏量⼦模拟的重⼤进展”。诺⻉尔物理学奖得主、美国麻省理⼯学院教授弗朗克·维尔切克将其评价为“⼀个⾮常有前途的想法”，“向基于准粒⼦的量⼦信息处理迈出了重要⼀步”。

分数量⼦霍尔效应：量⼦计算⾛向实⽤的关键课题

随着量⼦计算发展的速度和热度不断提升，分数量⼦霍尔效应研究成为全球顶级实验室竞相追逐的热点。之所以如此，是因为分数量⼦霍尔态可以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。⽽拓扑量⼦计算有更⼤的容错能⼒，能够突破传统量⼦计算⾛向实⽤过程中的容错能⼒困境。

量⼦霍尔效应和量⼦反常霍尔效应是⼈类百年来⼀直研究的问题。

“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，被⼴泛应⽤于电磁感测领域。“反常霍尔效应”则是指在没有外部磁场的情况下能观察到的类似于霍尔效应的现象。1980年，德国科学家克劳斯·冯·克利钦发现在极低温和强磁场条件下，霍尔态的电导率曲线总是在整数位置出现⼀条稳定的平线。

这被称为“整数量⼦霍尔效应”，为精确测量电阻提供了标准。

操控量⼦系统之梦：能不能“随⼼所欲”做研究

要研究分数量⼦霍尔效应，⾸先要制备出分数量⼦霍尔态。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，并对量⼦霍尔态进⾏研究。“传统‘⾃顶⽽下’的⽅式的优势在于可以在⾃然界找到相应的材料。

但通常情况下，开展研究时需要极低温环境、极⾼的⼆维材料纯净度和极强的磁场，实验要求较为苛刻。此外，该⽅法难以对系统微观量⼦态进⾏单点位独⽴操控和测量。”潘建伟说。

⽤光⼦模拟出量⼦态：全新的量⼦实验平台

在量⼦模拟技术⽅⾯，潘建伟等⼈选择了⼀条与众不同的赛道——⽤光⼦模拟电⼦以实现分数量⼦反常霍尔态。第⼀步，将光⼦囚禁到“盒⼦”⾥。

团队在国际上⾃主研发和命名了⼀种俗称“光⼦盒”的新型超导量⼦⽐特，将其排布为4×4的晶格阵列，并为光⼦提供更强的相互排斥作⽤，以模拟电⼦之间的库仑相互作⽤。第⼆步，让光⼦在“光⼦盒”间“跳舞”。团队通过交流耦合的⽅式，构造出作⽤于光⼦的等效磁场，使光⼦绕晶格流动。“这个过程就像让光⼦有了⼀种‘记忆能⼒’，让它们在绕圈圈的过程中记住⾃⼰的路径相关信息。”陆朝阳说。

这两步是⽤光⼦模拟分⼦量⼦霍尔态的关键难题。⾛完这两步后，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。