“指挥”光子跳出“霍尔舞步”，然后呢？中国科大团队解读最新发表的《科学》长文

"你见过光子‘跳舞’吗？你见过‘液态光子’吗？我们见到了！"陆朝阳说。

5月3日，中国科学院量子信息与量子科技创新研究院潘建伟、陆朝阳、陈明城等在《科学》杂志上发表长文，宣布在国际上首次实现了光子的分数反常量子霍尔态。他们靠自己研发的"光子盒"，引导单光子旋转和相互纠缠，跳出了"霍尔舞步"。在这样独特的"舞步"中，光子形成了"液态"。

作为论文通讯作者之一，中国科学技术大学上海研究院执行院长、上海量子中心副主任陆朝阳教授认为，这一成果迈出了量子模拟重要一步，他们所构建的这个光子盒"舞池"，未来有望进一步扩建，从"指挥"两个光子，到"指挥"数百个甚至更多的光子。这将为发展容错量子计算技术迈出关键一步。

量子模拟"霍尔舞步"

1879年，美国物理学家埃德温·赫伯特·霍尔发现，当固态导体放置在一个磁场内，且有电流通过时，导体内的电子会受力偏向一边，继而产生电压，这就是霍尔效应——这就好像在高速公路上行驶的车辆，忽然被一股神秘力量影响，都跑到一侧车道上去了。

此后百余年，物理学家发现，很多粒子会在不同状态下呈现出霍尔效应。尤其到1981年，美籍华裔物理学家崔琦等观察到了分数量子霍尔效应，情况就愈加复杂起来。比如，一个电子看起来可以带上分数电荷，就好像它被分成了几份。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。

陆朝阳解释，在整数量子霍尔效应里面，每个电子都是独立的，自己干自己的事情，而有了分数之后，电子不仅自己在那里转圈，几个电子还会互相绕着转圈，形成一种强关联的状态。

那么，这些微观粒子是怎样纠缠起来，又是如何旋转跳起"霍尔舞步"的呢？要搞清这个问题，物理学家能想到的最好办法，就是人工模拟出一个理想环境来做实验。

不过，说来容易做来难。一开始，大家先是找一些现成的材料，但总避不开一些极其苛刻、难以实现的实验条件。自2021年起，中国科大团队就想从"一砖一瓦"开始，自己搭建一个人工的、可以调控的、结构干净纯粹的量子模拟"舞池"。

研究人员观察到分数量子霍尔态的拓扑关联和拓扑光子流。（图片来源：Science）

自创"光子盒"操控光子跳舞

建造一个让光子跳出"霍尔舞步"的理想"舞池"，是量子模拟领域的"圣杯"之一，可见其难度之大。

为此，中国科大研究团队开发了一种全新的"光子盒"——Plasmonium量子比特。陆朝阳解释，这种"光子盒"可以囚禁单个光子，而且囚住了一个光子后，第二个光子就跑不进去了。这样，科学家就可以让光子模拟出电子之间相互排斥的特性。

"这种方法不需要外部磁场，可以更方便地构造出等效的人工规范场。"中国科大上海研究院教授陈明城介绍，这使得实验条件更加宽松，也更有利于实现量子信息科学中对系统微观量子态的单点位独立操控。"我们可以精确控制每一个组件，从而更好地理解和操纵量子系统。"

这次，他们将16个"光子盒"排成正方形，并注入了两个光子。这两个光子在被人工激发后，就开始以隧穿的方式，越过"光子盒"之间的壁垒相互"串门"，一边自己转圈，一边相互旋转、纠缠，并最终到达"液态光"的状态。

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的示意图。（图片来源：中国科学技术大学）

陆朝阳说，这是一种全新的量子物态的表现方式。"光子的‘舞步’完全可以由我们来控制，这样就能通过扩展受控光子的规模，人为制造出一些自然界本不存在的奇异的量子态。"

在一封电子邮件中，意大利物理学家伊阿科波·卡鲁索托写道："看到这个成果时，我感到自己梦想了十年的目标终于成真了。多年来，我们做了大量的理论工作。现在，我们很高兴看到这件事终于实现了。"

为更实用的容错量子计算机铺路

让光子受控跳出"霍尔舞步"，仅仅是第一步。研究团队还有更宏大的想法——以此为基本单元，在未来研制出更加实用、容错的拓扑量子计算技术。

沃尔夫物理学奖得主、奥地利因斯布鲁克大学讲座教授彼得·佐勒认为，这一实验为研究奇异量子态开启了大门，同时也将成为实现构建新型容错量子计算机这一长期梦想的起点。

"目前，量子计算仍处于科学探索阶段，量子硬件性能离解决有价值的实际问题还存在着差距。"中国科学院院士潘建伟解释，在当前和未来一段时期内，量子计算研究的核心任务集中在物理实现方面，需要解决量子比特的规模和量子纠错两大难题，"这是学术界的普遍共识"。

在量子计算中，错误和噪声是主要障碍，而拓扑量子态因其固有的稳定性和错误免疫特性，被认为是实现容错量子计算的理想选择。中国科大团队表示，目前他们只是实现了分数霍尔态中的一个特殊形态——阿贝尔分数霍尔态，接下来他们要实现更多的分数霍尔态，并发展相关技术，以掌控百个、万个光子"集体舞"的全局"舞步"，这将使拓扑量子计算拥有更强的容错能力。

　　作者：许琦敏

文：许琦敏 图：受访者提供 责任编辑：任荃

转载此文请注明出处。