特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
研究背景
分數量子霍爾 (FQH)態以其強大的拓撲序而聞名，并擁有對容錯量子計算應用有吸引力的特性。FQH態將拓撲和強相關特性結合在一起，并具有分數電荷和分數統計的準粒子，在凝聚態物理和量子信息科學領域也具有影響。工程量子平臺提供了一種自下而上的方法來實驗實現此類人工晶格系統，包括使用超冷原子或電路QED技術，并增強對這些奇異態的局部和相干操縱。
關鍵問題
1、在足夠大的二維晶格上同時實現光子相互作用和人工規范場存在挑戰工程量子平臺中是研究FQH的非常有前途的候選平臺，許多實驗工作都致力于電路 QED 平臺，但在足夠大的二維晶格上同時實現光子相互作用和人工規范場仍然是一個重大挑戰。2、開發新型創建和操縱拓撲物質途徑將推動量子力學的發展工程量子平臺中，電路QED晶格中的光子由于片上可擴展性、晶格幾何形狀的靈活性以及對各個位點的通用控制能力極具發展潛力，開發創建和操縱由光子組成的新型強相關拓撲量子物質的途徑將推動量子力學的發展。
新思路
有鑒于此，中科大潘建偉、陸朝陽等人在二維電路量子電動力學系統上，利用基于光子阻塞和工程規范場的可編程片上平臺演示了光子FQH態的晶格。在人工規范場中觀察到有效光子洛倫茲力和蝶形譜，這是 FQH 態的先決條件。從局域光子絕熱組裝1/2填充因子的Laughlin FQH波函數后，觀察到FQH光子之間強密度相關性和手性拓撲流。然后驗證了FQH態響應外部場的獨特特征，包括生成準粒子的不可壓縮性和分數量子霍爾電導率的確鑿證據。該工作闡明了創建和操縱由光子組成的新型強相關拓撲量子物質的途徑，并為容錯量子信息設備開辟了可能性。 作者使用等離子體光子盒設計了FQH系統，演示了當 Floquet驅動處于共振狀態時，光子在兩個孤立位置之間的周期性跳躍以及閉環內的清晰相位干涉圖案，重現了阿哈羅諾夫-玻姆效應。 作者通過監測單個光子的運動，證實了在二維晶格中成功合成了人工磁場，并驗證了Hofstadter蝴蝶能譜。使用局部勢輔助絕熱協議制備了光子FQH態，評估了提取的FQH態保真度約為60%。3、表征了基態波函數并探討了FQH態對外部場的分數響應作者探究了基態波函數，證明了FQH態中光子配對的長程排斥模式，并通過測量光子密度電流研究了光子運動的拓撲模式。此外，探討了FQH態對外部場的標志響應，提供了FQH態的確鑿證據。作者設計并實現了一個電路QED系統，使用等離子體晶格來創建和操縱光子FQH態，并演示分數量子霍爾電導率的特征。2、提供了生成準粒子的不可壓縮性和分數量子霍爾電導率的確鑿證據作者在二維電路量子電動力學系統演示了光子FQH態的晶格，觀察到FQH光子之間強密度相關性和手性拓撲流，提供了生成準粒子的不可壓縮性和分數量子霍爾電導率的確鑿證據。 作者使用最近開發的等離子體光子盒設計了FQH系統，它具有很大的非簡諧性，這有助于為工程上復雜的多體哈密頓量隔離干凈的二能級系統。通過倒裝芯片組裝的方法將其擴展在芯片上形成2D晶格。當第一個光子通過等離激元躍遷跳入空盒子時，第二個光子將由于非諧波能量損失而被阻擋。光子跳躍是通過兩個相鄰盒子之間的 Floquet 驅動耦合器實現的。作者在4× 4晶格上排列16 個光子盒和24個耦合器，通過動態編程控制跳頻幅度和相位。作者演示了當 Floquet驅動處于共振狀態時，光子在兩個孤立位置之間的周期性跳躍以及閉環內的清晰相位干涉圖案，重現了阿哈羅諾夫-玻姆效應。 作者首先通過監測單個光子的運動，證實了在二維晶格中成功合成了人工磁場，該人工磁場可以通過人工磁場誘導的有效洛倫茲力來偏轉。此外，作者驗證了Hofstadter蝴蝶能譜，這是人工磁場和晶格結構之間相互作用產生的現象。隨著磁場強度的變化，系統的能譜呈現出分形結構。作者將其中一個晶格位點初始化為由真空和單光子組成的福克疊加態，然后跟蹤其動態演化，觀察到傅里葉譜顯示出獨特的蝴蝶狀圖案，這與通過對角化獲得的精確值相匹配。 接著，作者使用局部勢輔助絕熱協議制備了光子FQH態。該協議首先將系統初始化為簡單的基態，隨后通過增加耦合J和拉平勢失諧量來逐步演化系統，以達到最終的哈密頓量H。在有限尺寸晶格中，填充因子為1/2的Laughlin波函數可以穩定在f從0.25到0.32的范圍內。作者評估了提取的FQH態保真度約為60%，與數值模擬中的退相干水平一致。此外，在f=0.2處觀察到保真度擊穿，這與理論計算能譜中的無間隙相變點一致。在FQH系統中，盡管粒子被限制在具有固定動能的最低簡并能級內，但它們通過相互繞軌道運行以達到基態來最小化其排斥勢。這種行為給波函數留下了獨特的空間特征，使得能夠觀察正常態和光子FQH態之間的模式差異。作者檢查了密度-密度相關函數g(2) (d) 相對于光子d的相對位置。進一步測量了相變點f = 0.2上不同磁通量的密度相關性。結果清楚地表明，在從正常狀態到FQH狀態的轉變過程中，光子相關性在小距離處受到抑制，而在較大距離處增強，證明了FQH態中光子配對的長程排斥模式。此外，通過Plasmonium 陣列靈活的單點可編程性實現了通過測量光子密度電流研究了光子運動的拓撲模式。最后，作者探討了FQH態對外部場的標志響應。在正常狀態下光子數的變化隨著局部勢V的深度線性累積。然而，在FQH狀態下，光子數的變化在淺缺陷處受到抑制。這種抑制清楚地表明FQH液體由于能隙而具有不可壓縮性。FQH 態的另一個確鑿證據是分數量子霍爾電導率sH 的存在。作者觀察到體積密度對 FQH范圍內有效磁通量的變化表現出近似線性響應，斜率為 0.52(14)。這表明量子霍爾電導率為0.52(14) s0。該結果與半填充FQH態的理想值1/2一致，也與考慮退相干和有限尺寸效應的數值模擬中的值0.6一致。 總之，作者在具有單點可編程性的2D電路QED晶格上實現了光子FQH 態的晶格版本，還獲得了驗證奇異相關拓撲特性的明確證據。量子非線性光學在單光子水平的精確控制，以及集成QED電路固有的可擴展性，為探索由光子構成的新型強相互作用拓撲量子物質和拓撲量子計算的實際應用提供了應用潛力。Can Wang, et al. Realization of fractional quantum Hall state with interacting photons. Science, 2024, 384(6695):579-584.DOI: 10.1126/science.ado3912https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado3912
