量子计算、量子通信等量子技术被视为国家安全的重要组成部分，在这些领域取得领先不仅是科技竞赛，也是战略和政策上的优先考量。

其中，量子计算有能力快速破解当前的大多加密系统，掌握该技术的领先能够在信息安全领域提供防御上的优势，也可能形成攻击上的能力。

而早期技术领先者通常有能力影响或设定国际标准，这对于长期保持技术领导权极为重要。

近日，我国科学家首次实现基于光子的分数量子反常霍尔态，在量子计算实用化上走出关键一步。相关研究以《实现具有相互作用光子的分数量子霍尔态》（Realization of fractional quantum Hall state with interacting photons）为题发表在 Science 上。中国科学技术大学潘建伟院士和陆朝阳教授担任共同通讯作者。

图 | 成果示意图（来源：中国科学技术大学官网）

本次研究，团队采用人工搭建的量子系统，展示了通过光学模拟实现分数量子霍尔物理的方法。基于光子的分数量子霍尔态也提供了一种新的实验平台。

值得一提的是，能够建造和控制人工量子系统，意味着有望最快地将科学研究转化为实际可行的技术，并成功商业化和规模化，从而能够开发出新的量子计算协议、量子算法和量子硬件。这些都是推动技术进步的关键因素。谁能尽早掌握类似方法，谁就有可能在全球量子计算“赛道”上占据有利位置。

量子计算技术因其潜在的革命性能力越来越受到关注，而分数量子霍尔态的研究被视为量子计算实用化过程中的关键突破点。分数量子霍尔效应（Fractional Quantum Hall Effect, FQHE）的发现荣获 1998 年诺贝尔物理学奖，它不仅丰富了我们对量子多体系统的理解，还为探索新型量子计算平台提供了理论基础，特别是在高容错能力量子计算系统研发方面。

在传统的量子霍尔效应实验中，科学家们在特定材料的基础上，利用该材料的固有属性来实现和研究量子霍尔态。其优势在于可以直接利用自然界的材料和现象，但通常受限于材料的自然属性和实验条件。

这种方式也被称为“自顶而下”的方法，另一种则是本次研究采用的“自底而上”方法，也就是通过人工的方式逐步构建更复杂的系统和结构。在量子计算领域，这种方法涉及从最基础的量子位开始，通过精确控制和设计来搭建复杂的量子系统，如使用光子在人造环境中模拟量子多体系统。

“自底而上”的方法优势在于灵活可控，可以精确地操控系统的每一个组成部分，从而研究和实现通常在自然条件下难以观察到的量子现象。

此外，相比传统的基于电子的量子霍尔效应需要在极低温度和强磁场中进行（实现条件苛刻且昂贵），光子系统的实验参数可以通过外部激光或微波信号灵活调整，提供了更大的实验设计空间。

通过这种方式，光子可以被用来模拟传统的量子多体系统（由多个相互作用的量子粒子组成的复杂系统），从而帮助科学家更深入地理解物质的基本性质和行为。这也是本次研究的关键价值。

简单来说，研究团队设计了一种名为“光子盒”的新型超导量子比特设备，可提供强烈的相互排斥力。其中的光子被限制在 4×4 晶格阵列区域内，通过这样的配置，光子可以被精确控制和操纵，从而允许科学家在可控的实验环境下模拟和研究量子物理现象。

图 | 样品的光学显微照片。在顶部的芯片上，“光子盒”（蓝色）排列在一个二维晶格中，通过基于传输的耦合器（橙色）耦合（来源：Science）

在人工制造的环境中，研究团队使用了交流耦合的方式来操控光子。通过调整交流耦合的参数，进而能够创造出一个等效的磁场，光子在晶格中的运动轨迹因此被改变，可以绕着晶格的特定路径流动。在运动时，光子的量子态会受到路径的影响并在某种程度上保留这种影响的信息。通过这种方式，光子能够模拟电子在真实磁场中的行为，包括电子如何根据其运动路径产生和变化其量子态的方式。

值得一提的是，由于耦合形式和非线性强度的限制，之前一直难以在二维晶格（一种用于描述物质结构的模型）中为光子构建人工规范场。此次研究团队自主研发的新型超导量子比特，命名为“Plasmonium”，与传统的 Transmon 量子比特不同，它提供了更高的非简谐性，使得光子间具有更强的排斥作用。这对于量子计算和量子模拟来说非常有用，有助于科学家在二维晶格中更有效地模拟复杂的量子相互作用。

（来源：中国科学技术大学官网）

研究人员在完成上述模拟后观测到了分数量子霍尔态特有的拓扑关联性质，确认了模拟的准确性和成功。

团队还引入了局域势场——一种特定的能量梯度，用来控制和操纵系统中的粒子。通过这种方法，能够跟踪准粒子的产生和行为。准粒子在量子场论中指由于多体相互作用而在物质中形成的粒子状激发。研究人员特别观测到了这些准粒子的“不可压缩性质”，意味着它们的数量在系统中是保持固定的，即使在外部条件变化时也不会被压缩或扩展。

图 | 通过一个倒置的制备过程来估计分数量子霍尔状态的保真度（来源：Science）

这些研究结果不仅提供了对量子霍尔效应深入理解的新视角，还推动了利用光子系统进行高级量子模拟的技术发展。这对于研究复杂的量子系统和开发新的量子信息技术具有重要意义。量子多体系统的操控和利用也是实现高效量子算法的关键，特别是在量子计算领域。

据了解，研究团队下一步将研制专用量子模拟机，并在一两年内用分数量子霍尔态激发出准粒子，探索研发更实用的拓扑量子计算机。

这里提到的量子模拟机能够提供关于量子系统行为的直观理解。在量子计算机的研发上，可以帮助研究人员理解量子计算中的关键问题。

此外，量子模拟被认为是第二次量子革命的重要组成部分。第二次量子革命涉及利用量子力学的原理来开发新的技术和应用，特别是在信息处理、通信和测量等领域。

通过量子模拟可以探索理论上预测但尚未在实验中观测到的量子物态，例如各种复杂的量子相变、量子磁性以及高温超导体中的行为。量子模拟还能够帮助科学家预测和设计新材料的性质，如新型半导体、催化剂等，并可以模拟复杂的化学反应，尤其是那些涉及到量子效应的反应机理。

总结来说，本次研究实现基于光子的分数量子霍尔态，标志着对量子多体系统和拓扑量子物态的理解和控制达到了新的水平，同时也是量子计算和量子模拟领域的重大科技进展。

而量子计算技术有潜力改变大量行业，包括制药、材料科学、加密货币和数据安全等，尤其是在科学研究和技术开发中扮演着越来越重要的角色。

这样的成就是全球顶级实验室多年来的竞争目标，在相关领域取得突破有助于提升在世界科学研究中的影响力和领导力。

参考：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado3912