我量子研究獲重大突破

【中新社北京六日電】中國科學院六日在北京舉行專題新聞發佈會宣佈，中國科學技術大學科研團隊基於中國科學家自主研發並命名的一種新型超導量子比特，實現了光子間的非線性相互作用，並進一步在此系統中構建出作用於光子的等效磁場以構造人工規範場，在國際上首次實現了光子的分數量子反常霍爾態。

助第二次量子革命

這項量子物理基礎研究領域的突破成果，將助力“第二次量子革命”，有望近期應用於量子系統並達到“量子計算優越性”。該研究論文由中國科大潘建偉院士和陸朝陽、陳明城教授等共同完成，近日以長文形式在國際著名學術期刊《科學》發表。

論文共同通訊作者陸朝陽教授在發佈會上介紹說，中國科大團隊在國際上自主研發並命名了一種新型超導量子比特Plasmonium（等離子體躍遷型），它打破了目前主流的傳輸子型量子比特相干性與非簡諧性之間的制約，用更高的非簡諧性提供了光子間更強的排斥作用。

科研團隊進一步解決了實現光子分數量子反常霍爾效應的兩個關鍵難題，以人造系統具有可尋址、單點位獨立控制和讀取，以及可編程性強的優勢，為本次研究中相關光子量子的實驗觀測和操縱提供了新的手段。

在本項研究工作中，科研團隊觀測到分數量子霍爾態獨有的拓撲關聯性質，驗證了該系統的分數霍爾電導。同時，他們跟蹤了準粒子的產生過程，證實準粒子的不可壓縮性質。

論文共同通訊作者潘建偉院士指出，此次研究的核心成果，就是利用“自底而上”的量子模擬方法進行量子物態和量子計算研究取得重要進展。

傳統的量子霍爾效應實驗研究採用“自頂而下”的方式，即在特定材料的基礎上，利用該材料已有的結構和性質實現製備量子霍爾態。通常情況下，需要極低溫環境、極高的二維材料純淨度和極強的磁場，對實驗要求較為苛刻。此外，傳統“自頂而下”的方法難以對系統微觀量子態進行單點位獨立地操控和測量，一定程度上限制了其在量子信息科學中的應用。

本次研究提出人工搭建的量子系統結構清晰，靈活可控，是一種“自底而上”研究複雜量子物態的新範式。其優勢包括：無需外磁場，通過變換耦合形式即可構造出等效人工規範場；通過對系統進行高精度可尋址的操控，可實現對高集成度量子系統微觀性質的全面測量，並加以進一步可控的利用。

潘建偉表示，這類技術被稱為量子模擬，是“第二次量子革命”的重要內容，有望在近期應用於模擬經典計算困難的量子系統並達到“量子計算優越性”。

國際專家高度認可

對於中國科學家自主研發命名新型超導量子比特，並在國際上首次實現光子的分數量子反常霍爾態，國際同行專家給予高度認可和評價。《科學》雜誌審稿人認為，這項工作“是利用相互作用光子進行量子模擬的重大進展”。

諾貝爾物理學獎得主、美國麻省理工學院教授弗朗克 · 維爾切克表示，這是一個令人印象深刻的實驗，為基於任意子的量子信息處理邁出重要一步，“原本完全是理論，現在變成了現實”。

沃爾夫物理學獎獲得者、奧地利因斯布魯克大學教授彼得 · 佐勒指出，“實現這樣的目標是多年來全球頂級實驗室競爭的量子模擬的‘聖杯’之一”，為研究奇異量子態開啟了大門，是實現構建新型容錯量子計算機這一長期夢想的起點。

美國華盛頓大學教授許曉棟認為，這項工作創造了一個可以精確調控的量子模擬平台去實現不需要外加磁場的分數量子霍爾態，可為凝聚態物理研究提供前瞻和重要的指導意義，未來可進一步研究用它來創造一些新奇量子物態。

香港大學教授姚望稱，這是一個“非常強大的量子模擬器”，其優美的實驗設計將產生重大影響，會顯著推進人們對這種長期引人關注的奇異現象的理解。