重大進展！我國成功實現光子的反常分數量子霍爾態 | 袁嵐峯_風聞

最近有個大新聞，中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽、陳明城等人利用基於自主研發的Plasmonium型超導高非諧性光學諧振器陣列，實現了光子間的非線性相互作用，並在此係統中構造人工規範場，在國際上首次實現了光子的反常分數量子霍爾態。這是利用量子模擬進行量子物態研究的重要進展，論文5月2日發表在國際頂級期刊《Science》。

呃，這説的是啥？其實大家如果想深入瞭解，可以看林梅博士在墨子沙龍的介紹文章（Science：讓光子跳出霍爾的舞步 | 墨子沙龍）。不過可想而知，大多數人的問題是對這串術語一個都看不懂，更不用説連起來了。所以，下面我就給個大框架的解釋。聽了這個框架，你對這項研究的瞭解就會超過90%的人。

首先，這個領域叫做量子模擬，即用一個量子體系模擬另一個量子體系。為什麼要這樣做呢？因為量子體系A可能是很難製備的，或者測量起來非常困難，所以我們造一個量子體系B，它們的性質在很多方面是對應的，測量B就能瞭解A。好比你造個太陽系的模型，在裏面行走就可以代替你橫跨整個太陽系。

然後，要模擬的對象叫做反常分數量子霍爾效應。數數看，這個詞有多少重修飾：反常，分數，量子，霍爾效應。實際上，是先有1879年發現的霍爾效應，然後有1980年發現的量子霍爾效應，然後有1981年發現的分數量子霍爾效應，然後有2013年發現的整數量子反常霍爾效應，然後有2023年發現的分數反常量子霍爾效應。

1879年,E.H. Hall發現霍爾效應

這個家族太複雜了，所以我們就不詳細介紹了。只需要明白一點，這是凝聚態物理中的一類重要現象，已經得了兩次諾貝爾獎。它有潛在的重要應用，例如拓撲量子計算。但傳統的問題在於，製備這樣的體系需要非常極端的條件，例如很低的温度、很強的磁場、很純的樣品，這極大地制約了它的研究和應用。

現在你就明白，為什麼要用其他體系來模擬它了吧？凝聚態體系的反常分數量子霍爾效應就好比太陽系，模擬它的光學體系就好比太陽系的模型。

然後，用光學來模擬量子霍爾效應的困難在於，這是個強關聯的效應，即電子間的相互作用導致重要後果，而光子之間的相互作用一般而言是很弱的。但奇妙的是，我的這些科大同事確實產生了光子之間的相互作用！他們的辦法就是這個新聞的第一句，基於自主研發的Plasmonium型超導高非諧性光學諧振器陣列。

用陸朝陽自己的話解釋，這個所謂Plasmonium就好比一個小盒子，可以把光子囚禁在裏邊，然後讓小盒子之間產生相互作用。他們構建了4 * 4的小盒子陣列，然後利用它們之間的相互作用，構造出了分數反常量子霍爾效應的狀態。

超導腔晶格

最妙的是，這個體系不需要低温，不需要磁場，所以應用前景比原始的分數反常量子霍爾效應大得多。也許有一天，確實可以用它實現拓撲量子計算，或者其他不可思議的應用。

最後，有人問，這個成果能不能得諾貝爾獎？回答是，至少現在還得不了。因為它只是開創了一種方法，但還沒有得到重大的科學成果。好比打開一扇門發現裏面有寶藏，但還不確定寶藏是什麼，那麼最重要的就是趕快去找。以後如果有了重大的科學成果，得個諾貝爾獎什麼的自然不在話下。

陸朝陽經常引用這樣一句話：什麼時候量子計算才能用來做科學（do science），而不是像現在這樣本身就是科學（be science）？能用來做科學，就是這個領域成熟的標誌。