【2024中国科技发展新成就⑥】

        光子的分数量子反常霍尔态首次实现，有望助推“第二次量子革命”

       量子力学的起始（20 世纪 80 年代至 90 年代末期），以 推动超导、晶体管、激光、 核磁共振等技术诞生。即为量子力学确立的第一次革命。它包含了三个阶段：1）理论基础奠定期（1900-1980）；2）崭露头角期（1981-1993）；3）持续发展期（1994-1999）：量子科技产业持续发展。

       那么量子力学的第二次量子革命（21 世纪初至今），即实现单个微观粒子操控，量子信息技术产业持续演进。 第一次和第二次量子革命的核心区别在于第一次量子革命主要发明与发展原子能、激光、超 导、晶体管和半导体器件、集成电路器件、微处理器、核磁共振成像等基于量子力学效应的 信息技术，而第二次量子革命基于操控电子、光子等离子体系的微观量子行为发展量子信息 技术，利用量子体系的叠加、纠缠等量子力学行为，进行信息获取、处理和传输，对多个领 域产生基础共性与颠覆性的重大影响。

      中国的量子力学研究在2024年取得令人瞩目的科技突破。中国第三代自主超导量子计算机“本源悟空”上线运行，搭载72位自主超导量子芯片“悟空芯”，成为目前中国最先进的可编程、可交付超导量子计算机。这一突破为量子计算的应用打开了新的大门，有望在材料科学、药物研发、金融建模等领域带来革命性的变化。

      同时，中国量子力学研究团队在国际学术期刊《自然》上发表的量子模拟计算成果，首次利用二维离子阵列实现了目前已知国际最大规模的多离子量子模拟计算，为实现大规模量子计算提供了新路径。使得量子模拟实验有了重大突破。2024年5月6日，中国科学院在京召开新闻发布会宣布，利用“自底而上”的量子模拟方法，中国科学院院士、中国科学技术大学教授潘建伟团队在国际上首次实现光子的分数量子反常霍尔态，为高效开展更多、更新奇的量子物态研究提供了新路径。相关论文发表于《科学》杂志。

       霍尔效应是指当电流通过置于磁场中的材料时，电子受到洛伦兹力的作用，在材料内部产生垂直于电流和磁场方向的电压。这个效应由美国科学家霍尔在1879年发现，并被广泛应用于电磁感测领域。反常霍尔效应是指在没有外部磁场的情况下观测到相关效应。

       分数量子反常霍尔效应备受学术界关注，处于分数量子反常霍尔态的物质具有重要的观测研究价值。传统研究采用的是“自顶而下”的方法，研究者从已经存在的材料出发，利用其固有结构和性质来实现量子霍尔态。而“自底而上”的方法则是人工构建量子系统，从最基本的组件开始逐步搭建出所需的复杂结构。潘建伟团队利用“自底而上”的方式，基于自主研发的超导高非简谐性光学谐振器阵列，实现了光子间的非线性相互作用，并进一步在此系统中构建出作用于光子的等效磁场以构造人工规范场，从而实现了光子的分数量子反常霍尔态，为开展量子领域相关研究提供了优质的研究平台，有望助力推进“第二次量子革命”。

        诺贝尔物理学奖得主弗兰克·维尔切克对这项研究给予高度评价。他说：“这种‘自底而上’的途径是一个‘非常有前途的想法’，这是一个令人印象深刻的实验，为基于任意子的量子信息处理迈出了重要一步。”

                          丰都智愚河畔环境技术工作室