重大进展!我国成功实现光子的反常分数量子霍尔态 | 袁岚峰

最近有个大新闻,中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、陈明城等人利用基于自主研发的Plasmonium型超导高非谐性光学谐振器阵列,实现了光子间的非线性相互作用,并在此系统中构造人工规范场,在国际上首次实现了光子的反常分数量子霍尔态。这是利用量子模拟进行量子物态研究的重要进展,论文5月2日发表在国际顶级期刊《Science》。

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呃,这说的是啥?其实大家如果想深入了解,可以看林梅博士在墨子沙龙的介绍文章(Science:让光子跳出霍尔的舞步 | 墨子沙龙)。不过可想而知,大多数人的问题是对这串术语一个都看不懂,更不用说连起来了。所以,下面我就给个大框架的解释。听了这个框架,你对这项研究的了解就会超过90%的人。

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首先,这个领域叫做量子模拟,即用一个量子体系模拟另一个量子体系。为什么要这样做呢?因为量子体系A可能是很难制备的,或者测量起来非常困难,所以我们造一个量子体系B,它们的性质在很多方面是对应的,测量B就能了解A。好比你造个太阳系的模型,在里面行走就可以代替你横跨整个太阳系。

然后,要模拟的对象叫做反常分数量子霍尔效应。数数看,这个词有多少重修饰:反常,分数,量子,霍尔效应。实际上,是先有1879年发现的霍尔效应,然后有1980年发现的量子霍尔效应,然后有1981年发现的分数量子霍尔效应,然后有2013年发现的整数量子反常霍尔效应,然后有2023年发现的分数反常量子霍尔效应。

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1879年,E.H. Hall发现霍尔效应

这个家族太复杂了,所以我们就不详细介绍了。只需要明白一点,这是凝聚态物理中的一类重要现象,已经得了两次诺贝尔奖。它有潜在的重要应用,例如拓扑量子计算。但传统的问题在于,制备这样的体系需要非常极端的条件,例如很低的温度、很强的磁场、很纯的样品,这极大地制约了它的研究和应用。

现在你就明白,为什么要用其他体系来模拟它了吧?凝聚态体系的反常分数量子霍尔效应就好比太阳系,模拟它的光学体系就好比太阳系的模型。

然后,用光学来模拟量子霍尔效应的困难在于,这是个强关联的效应,即电子间的相互作用导致重要后果,而光子之间的相互作用一般而言是很弱的。但奇妙的是,我的这些科大同事确实产生了光子之间的相互作用!他们的办法就是这个新闻的第一句,基于自主研发的Plasmonium型超导高非谐性光学谐振器阵列。

用陆朝阳自己的话解释,这个所谓Plasmonium就好比一个小盒子,可以把光子囚禁在里边,然后让小盒子之间产生相互作用。他们构建了4 * 4的小盒子阵列,然后利用它们之间的相互作用,构造出了分数反常量子霍尔效应的状态。

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超导腔晶格

最妙的是,这个体系不需要低温,不需要磁场,所以应用前景比原始的分数反常量子霍尔效应大得多。也许有一天,确实可以用它实现拓扑量子计算,或者其他不可思议的应用。

最后,有人问,这个成果能不能得诺贝尔奖?回答是,至少现在还得不了。因为它只是开创了一种方法,但还没有得到重大的科学成果。好比打开一扇门发现里面有宝藏,但还不确定宝藏是什么,那么最重要的就是赶快去找。以后如果有了重大的科学成果,得个诺贝尔奖什么的自然不在话下。

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陆朝阳经常引用这样一句话:什么时候量子计算才能用来做科学(do science),而不是像现在这样本身就是科学(be science)?能用来做科学,就是这个领域成熟的标志。

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