光是每个人见的最多的东西，是宇宙最原始的事物之一。但你见过“液态”的光吗？
日前，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、陈明城等科研人员，通过自研的新型量子模拟器，构建出光子的反常分数量子霍尔态。这是一种奇异的由粒子之间强相互作用形成的量子流体，在这里，光呈现出了“液态”。形象点说，就是光子不仅各自独舞，还能绕着其他光子群舞。相关科研成果以长文的形式发表在国际学术期刊《科学》上。
中国科学技术大学教授陆朝阳介绍，团队从单个人造原子开始，把光子一个个放到“光子盒”（“光子盒”的名字来自1930年爱因斯坦和波尔争论中提出的思想实验）里面，以一种人造的“自底而上”的方法，首次实现了光子的分数量子反常霍尔态。“如果要很通俗地理解的话，就像是我们把光变成了一种不可压缩的‘液体’，这是一种全新的一种量子的物态的表现方式”。
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
那究竟什么是反常霍尔态？这要先说霍尔效应，它由美国科学家霍尔在1879年发现，指的是电流在磁场中流动时，电子受洛伦兹力作用产生垂直于电流和磁场的电压。这个效应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。
与传统的霍尔效应不同，反常霍尔效应可以在没有外部磁场的情况下观测到。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。
要研究量子霍尔效应，首先要制备出量子霍尔态。
传统的量子霍尔效应实验研究采用“自顶而下”的方式，也就是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。除了实验要求苛刻，传统“自顶而下”的方法还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。
本次研究中，中国科技大学科研团队通过全新的量子实验平台，在国际上首次用光子模拟出了反常分数量子霍尔态。这种“自底而上”研究复杂量子物态的新范式，不仅无需外磁场，而且还可以通过对系统进行高精度可寻址的操控，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。
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
“这个‘光子盒’阵列是我们自己设计命名的，叫Plasmonium（等离子体跃迁型）超导高非简谐性光学谐振器阵列。用现在这种新的方法，控制性更强，为实验观测和操纵提供了新的手段。未来，我们可以把它做到一个更大的规模，可以用它作为基本单元，进一步扩展造出我们本来自然界不存在的一些奇异的量子态。”陆朝阳说。
40余年来，分数量子霍尔效应研究受到广泛关注，因为分数量子霍尔态可以激发出局域的准粒子，有望成为拓扑量子计算的载体，最终助力传统量子计算走向实用。此次中科大科研团队的工作解决了拓扑光子学的一个长期科学挑战，实现相互作用光子的分数霍尔态，也为拓扑容错计算提供了基础。
来源：光明网2024-05-24