游戏刚刚开始:中国科大实现光子分数量子霍尔态
导读:
在这一研究中,中国科学技术大学的研究团队,通过量子模拟的方法,在超导平台外部磁场为零的情况下,构建了光子的分数量子霍尔态这一特殊的量子物质态。
量子模拟,就是用一个可控的量子系统来模拟另一个目标量子系统的行为。而分数量子霍尔态是凝聚态物理学中的一个重要概念,源自在1980年代发现的分数量子霍尔效应。
所谓量子霍尔效应,就是量子版的霍尔效应。在经典的霍尔效应中,当一个平面的导体的左侧和后侧分别加了一个横向电压之后,加上垂直于电流的强磁场,这个导体不仅从左侧到右侧有电流,导体的上方和下方之间也会产生纵向的电压。这一现象在1879年由美国物理学家Edwin Hall发现。其中,用纵向的霍尔电压除以横向的电流,就是霍尔电阻。实验表明,霍尔电阻的大小与外磁场大小成正比,且随后者连续变化。
1980年,德国物理学家Klaus von Klitzing首次在实验中发现,在低温和强磁场条件下的二维电子系统中,霍尔电导,即霍尔电阻的倒数,呈现阶梯状的量子化现象,也就是说,当外部磁场强度发生变化时,霍尔电导不再连续变化,而是会突然从一个数值整数倍跳到另一个整数倍,即霍尔电导是量子化的。
到了1982年,美国贝尔实验室的Horst Störmer和崔琦研究一种二维的电子系统中的霍尔电导时,突然发现霍尔电导不仅可以是整数倍,还可以是分数倍,出现了分数化的特征,不再是整数值,而是变成了分数1/3。这种奇特的现象就被称为分数量子霍尔效应,无法用当时的理论来解释。
这激起了理论物理学家的热情。1983年,斯坦福大学教授Robert Laughlin提出了一种新的理论,来描述分数量子霍尔效应中观察到的1/3分数电导现象。他将电子系统视为一种量子液体,其中电子表现出强关联行为,并且这一系统具有拓扑特性,这意味着不会被局部扰动所破坏。
“从物理上说,分数量子霍尔效应更有趣。在整数量子霍尔效应里面,每个电子自己都是独立的,自己干自己的事情,有了分数才进入了一个强关联的区域,电子不仅自己在那里转圈,几个电子还互相转圈,形成一种强关联的态,这个是特别有趣的。”论文的通讯作者之一、中国科学技术大学教授陆朝阳解释说。
分数量子霍尔效应要实现,有两个必要条件,一个是强磁场,形成离散的、相隔较大的朗道能级,另外需要电子与电子的相互作用非常强。
在分数量子霍尔效应发现之后,物理学家们就在思考是否能够实现在晶格点阵中不需要朗道能级的分数量子霍尔效应。这样的分数量子霍尔效应不需要外加磁场,而且可以比加磁场的霍尔效应更加稳定。此后的二三十年,不需要朗道能级和磁场的分数量子霍尔效应在理论上证明存在于分数陈绝缘体中。但无论是在固体物理中,还是量子模拟领域,实验上一直未能做到。
直到去年8月,美国华盛顿大学教授许晓栋领导的团队与合作者在2023年6月[2]和8月[3]通过《自然》杂志报告了在双层转角MoTe2中观察到分数量子反常霍尔效应。接着,上海交通大学的李听昕和刘晓雪研究组也独立报告在双层转角MoTe2的实验中观察到了分数量子反常霍尔效应[4]。今年3月,麻省理工学院的巨龙研究组,也报告了在五层石墨烯中,观测到了这一著名的量子效应[5]。这是固态物理领域的最新进展。
而在量子模拟领域,潘建伟、陆朝阳和陈明城他们从2021年年初开始思考如何通过量子模拟来构建光子的反常量子分数霍尔态。
“我们的研究的目的有两重,一是科学上的兴趣,实现玻色子(比如光子)的反常分数量子霍尔态长期以来是拓扑光子学的一个挑战。二是量子计算应用上的考虑,我们的方法是自底而上的构建分数霍尔态,对系统有任意的独立局域的相干操纵能力,这提供了未来进行拓扑容错计算的灵活控制能力。”陆朝阳在给《赛先生》的书面回复中写道。
与传统的利用特定材料制备量子霍尔态不同,量子模拟的方式通过人工的方式来搭建量子系统,就像盖房子把一块一块砖头搭起来一样,晶格的搭建也都是一个格子一个格子地通过线路量子电动力学的方法搭建起来,然后微波光在上面运行。“这样的系统更加可控,自己可以控制各种各样的参数。”中国科学技术大学教授陈明城解释说。
对于量子模拟实验来说,有两个挑战要去解决。首先是需要构建一个等效的磁场,来起到外在磁场的作用。具体来说,中国科学技术大学的研究人员通过控制调节量子系统中的光子,在一个闭合回路里运动一周去积累相位的方式,实现了作用在光子上的人工规范场。
其次,实现分数量子霍尔态,需要光子之间的排斥作用。研究人员在一个4X4的二维超导量子比特晶格中,搭建了16个光子盒,并在其中注入了两个光子。这一光子盒的特殊之处在于,光子从基态跃迁到第一激发态所需的频率,与从第一激发态跃迁到第二激发态的频率差相差较多。这就使得光子盒吸收一个光子进入第一激发态后,便无法再吸收第二个光子。这样,就可以很好地模拟量子霍尔效应中电子之间的排斥作用。
另外,研究人员将表征分数量子霍尔态一些不同性质的实验结果与非分数量子霍尔态进行比较,包括光子的密度的性质和光子的流动方向等,结果发现分数量子霍尔态下的光子确实展现出了不同的特点,具有拓扑长程纠缠的性质。他们还测量了该分数量子霍尔态的电导为0.52,与和理论计算结果相吻合。
分数量子霍尔态的研究,之所以引人瞩目,很重要的一点在于其内在的长程关联,即粒子之间的长程量子纠缠,这也是拓扑序的一个重要特征。1989年,华人物理学家文小刚基于超导体和分数量子霍尔效应的研究提出拓扑序的概念,并开辟了长程量子纠缠的物理新领域。用拓扑序演生的拓扑量子比特,不受局部环境的影响,总是会保持一个理想的相干状态,被认为是实现容错量子计算的重要途径。
参考资料:
[1]Can Wang et al. ,Realization of fractional quantum Hall state with interacting photons. Science384,579-584(2024).DOI:10.1126/science.ado3912
[2] Cai, J., Anderson, E., Wang, C. et al. Signatures of fractional quantum anomalous Hall states in twisted MoTe2. Nature 622, 63–68 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06289-w
[3]Park, H., Cai, J., Anderson, E. et al. Observation of fractionally quantized anomalous Hall effect. Nature 622, 74–79 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06536-0
[4] Xu, Fan, et al. "Observation of integer and fractional quantum anomalous Hall effects in twisted bilayer MoTe 2." Physical Review X 13.3 (2023): 031037.
[5] Lu, Z., Han, T., Yao, Y. et al. Fractional quantum anomalous Hall effect in multilayer graphene. Nature 626, 759–764 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-023-07010-7
[6]Léonard, J., Kim, S., Kwan, J. et al. Realization of a fractional quantum Hall state with ultracold atoms. Nature 619, 495–499 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06122-4
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