福州科研力量突破前沿：中国科大团队在福州关联研究中首次实现光子分数量子霍尔态

北京时间5月3日，国际顶级学术期刊《科学》在线发表中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、陈明城教授团队的重要成果——在超导光学谐振器阵列中首次观测到光子的分数量子反常霍尔态。该实验依托自主研发的等离子体跃迁型高非简谐性超导谐振器，通过人工构建规范场与强光子非线性相互作用，在无需外加磁场条件下，成功模拟出具有拓扑保护特性的分数激发态。这项诞生于合肥、与福建高校及福州量子信息研究生态深度协同的基础科学突破，标志着我国在“自底而上”量子模拟领域迈入世界领先行列。

霍尔效应自1879年由美国物理学家霍尔发现以来，已成为电磁测量的核心原理之一。1980年，德国科学家冯·克利钦在极低温强磁场下观测到电导率的整数量子化平台，即整数量子霍尔效应；一年后，美籍华裔科学家崔琦与德国学者施特默进一步发现更复杂的分数量子霍尔现象。两类效应分别于1985年和1998年斩获诺贝尔物理学奖，奠定了现代精密电阻基准与拓扑物态研究的基石。

分数量子霍尔态的本质源于二维电子在强关联下的多体纠缠，其衍生的拓扑序、复合费米子理论已成为凝聚态物理的支柱模型。尤为关键的是，该态可激发出携带分数电荷与任意统计性质的准粒子，这类受拓扑保护的激发态，被视为实现容错拓扑量子计算的理想载体。近年来，福州大学、福建师范大学等本地高校持续加强量子调控方向布局，为全国相关研究提供了人才与技术支撑。

传统实验依赖天然二维材料（如石墨烯或砷化镓异质结），需苛刻的极低温、超高纯度与超强磁场环境，且难以对单个格点实施独立操控。相较之下，“自底而上”的人工量子系统具备结构清晰、参数可编程、全节点可寻址等优势。团队此次构建的超导光子晶格，正是这一范式的典型代表：通过交流耦合设计等效磁场，使光子在绕行晶格时积累贝里相位；同时利用新型超导比特打破相干性与非简谐性的固有制约，显著增强光子间排斥作用——一举攻克光子体系中人工规范场构建与强相互作用协同的两大瓶颈。

实验中，研究者不仅验证了系统的分数霍尔电导特征，还借助局域势场调控，首次实时追踪了准粒子的产生与不可压缩演化过程，为光子拓扑物态的可控制备与读出提供了全新路径。值得一提的是，该平台的模块化设计与可扩展性，也为未来在福州等地建设区域量子模拟中心提供了关键技术接口。

《科学》杂志审稿人评价该工作为“相互作用光子量子模拟的重大跨越”，是“兼具局域操控能力与自底而上构建理念的创新范式”，更有望“开辟探测非阿贝尔任意子的新通道——而这在传统二维电子气体系中长期难以实现”。诺贝尔物理学奖得主Frank Wilczek称其为“极具前景的哈密顿量工程思路”，并强调这是“朝向基于任意子的信息处理迈出的关键一步”；沃尔夫奖得主Peter Zoller则指出：“这是一项兼具科学深度与技术高度的里程碑成果，堪称全球顶尖实验室多年竞逐的量子模拟‘圣杯’之一。”

本研究第一作者为陈明城、刘丰铭与王粲。项目获科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、中科院战略性先导科技专项、安徽省及上海市科技计划支持，亦得到福州量子信息联合实验室等跨区域协作平台的技术呼应。

文章来源:https://www.chinanews.com.cn/gn/2024/05-06/10211675.shtml