5月10日，【潮新闻】专访理学院院长张云波。

原文如下：

让光子跳出霍尔“舞步”，我国科学家首次实现光子的分数量子反常霍尔态

量子科技领域又有新成果。近日，中国科学技术大学宣布，潘建伟院士团队利用“自底而上”的量子模拟方法，在国际上首次实现了光子的分数量子反常霍尔态。

相关研究成果近日发表于《科学》杂志。评论认为，这项成果为高效开展更多、更新奇的量子物态研究提供了新路径。

来源《科学》官网截图

分数量子、反常霍尔态……专业的名词背后，这项成果究竟是什么？距离应用还有多远？记者采访了量子物理学专家、华体会体育（中国）HTH·官方网站理学院院长张云波。

什么是分数量子反常霍尔态？

一听到反常分数霍尔量子效应，大多数人的第一想法是：字都认识，但连在一起就不知是什么意思。要想了解这一概念，首先还要从最基础的霍尔效应说起。

“霍尔效应”是由美国科学家霍尔在1879年发现，指的是当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差。在强磁场和低温条件下，霍尔电阻的阻值与磁场的关系不再是线性，而是成台阶状，也就是说霍尔电阻出现了量子化。

而不需要外加磁场的霍尔效应，就是反常霍尔效应。

量子并不指代具体的某种物质或粒子，在物理学中，它可指最小能量单元。比如，“光的量子”就是光的最小能量单元，简称光子。

“一个量子就像一颗携带能量的黄豆，日常生活中，黄豆可切割开，但在量子世界，只能是一颗黄豆、两颗黄豆。”张云波向记者解释，量子力学则是描述微观物质（原子、亚原子粒子）行为的物理学理论，是我们理解除万有引力之外的所有基本力的基础。

量子霍尔效应是量子力学版本的霍尔效应，需要在低温强磁场的极端条件下才可被观察到。

近些年，量子霍尔效应不断地在实验中展现出新的惊喜——比如室温下可以产生、或者没有磁场也可以产生，这就是量子反常霍尔效应。

“如果霍尔电阻的台阶值如果出现在分数处，即分数量子霍尔态。电子和磁通量束缚在一起，形成一种准粒子，它们可以等效地看成携带分数电荷的任意子，是量子计算领域的基本模型之一。”张云波表示，分数量子反常霍尔效应是近年来凝聚态物理领域的研究热点，具有重要的基础研究意义和潜在的应用价值。

用光子实现分数量子霍尔态

在物理研究中，量子模拟是运用量子力学的基本规律来构建模拟系统。“量子模拟就像拍戏一样，找演员在特定的场景中完成表演，一出戏可以用不同的演员去完成，像光子、超冷原子、里德堡原子、超导比特等‘演员’都可以完成，最后就是看谁演的好，谁的模拟效果最好。”张云波说道。

此次，中国科学技术大学的研究团队，就是通过让“光子”扮演了“电子”进行量子模拟的方法，构建了特殊的量子物质态——光子的分数量子霍尔态。

要研究分数量子霍尔效应，首先要制备出分数量子霍尔态。

张云波表示，在传统的量子霍尔效应研究中，采用的是“自顶而下”的方法，想要制备出分数量子霍尔态，必须制造极低温的环境、高纯度的二维材料以及超强的磁场，这些条件往往很难满足，且对实验的控制和操作有限制。

在非线性光子系统中构建人工规范场，实现光子的分数量子霍尔态。图源：中国科学技术大学官方微信公众号

此项研究中，团队利用“自底而上”的方式，自己搭建一个人工的、可以调控的、结构干净纯粹的系统。

“‘自顶而下’就像有一座山，我们要在山里凿洞做房子，受现实条件约束，不能随心所欲。‘自底而上’好比我们用砖块盖房子，可以按照自己的意愿来盖。”论文共同通讯作者、中国科学技术大学教授陆朝阳在接受媒体采访时解释道。

团队在国际上自主研发和命名了一种俗称“光子盒”的新型超导量子比特，这个平台像4*4的棋盘一样，可以将光子囚禁在里面，不需要外加磁场，光子可以很好地被操纵。

“在这样的平台里，光子可以在研究人员的控制下在盒子之间跳来跳去，就像跳舞一样，节奏尽在掌握。在跳的过程中，形成拓扑路径。”张云波解释，拓扑描述物体在连续变换下的几何特征，如果物体有一个性质在连续变换下是一个守恒量，那我们就说这个性质是该物体的一个拓扑性质。就像一个带把手的杯子，它也可演化成带孔的甜甜圈，但无论怎样折腾，这个孔始终存在。

张云波表示，这种方法的优势在于它提供了更高的灵活性和可控性，研究者可以精确地控制每一个组件，从而更好地理解和操纵量子系统。

量子计算离应用还有多远？

诺贝尔物理学奖得主Frank Wilczek评价，这种“自底而上”、用人造原子构建哈密顿量的途径是一个“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。

沃尔夫奖获得者Peter Zoller评价，“这在科学和技术上都是一项杰出的成就”“实现这样的目标是多年来全球顶级实验室竞争的量子模拟的圣杯之一”。

张云波认为，这项工作是科学的一个重大进展，也是比较关键的一步，对于量子物态的研究提供前瞻和指导意义，未来可进一步研究用来创造一些新奇量子物态，也为未来探索容错能力更强的量子计算机提供了新思路。

观察到准粒子的不可压缩和分数霍尔电导。图源：中国科学技术大学官方微信公众号

思路有了，那么，量子计算离实际应用还有多远？

潘建伟在近日举行的专场新闻媒体发布会上说，目前量子计算处于科学探索阶段，“但并不意味着不能产生有意义的成果。”目前为止，所有量子计算原型机的硬件性能，距离解决有重要价值的实际问题仍有一定差距。

他认为，近期3-5年里，我们希望在解决某些特定物理问题或者化学材料问题中，找到一两个应用的范例。这些问题无法通过超级计算机解决，必须通过专用的量子计算机或者量子模拟机解决。在不久的将来，他们会有比较好的进展。

此外，据了解，下一步，团队一方面将研制专用量子模拟机，用可控的方式构建分数量子霍尔态，以理解分数量子霍尔效应；另一方面，将在未来一两年内用分数量子霍尔态激发出准粒子，并探索研制具有更高容错能力的拓扑量子计算机。

近年来，浙江大学、西湖大学和华体会体育（中国）HTH·官方网站等部分省属高校多个研究组，也在从事量子物态调控相关的研究工作。据悉，张云波教授的研究组依托浙江省全省量子物态与光场调控重点实验室，他们关于一维晶格中任意子的工作最近被哈佛大学Greiner小组采用来做量子行走的模拟。