强！中科大潘建伟院士，再发Science！

分数量子霍尔（FQH）态以其稳健的拓扑顺序而闻名，并具有对容错量子计算应用具有吸引力的特性。一个工程化的量子平台将提供在没有外部磁场的情况下操作FQH态的机会，并增强对这些奇异态的局部和相干调控。

在此，中国科学技术大学潘建伟院士和陆朝阳教授等人使用基于光子阻断的可编程片上平台，在二维电路量子电动力学系统上展示了光子FQH状态的晶格版本。在人工规范场中观察到有效光子洛伦兹力和蝶形光谱，这是FQH状态的先决条件。

在局部光子对1/2填充因子的Laughlin FQH波函数进行绝热组装后，观察到FQH光子之间的强密度相关性和手性拓扑流动。然后，作者验证了FQH态响应外部场的独特特征，包括生成准粒子的不可压缩性和分数量子霍尔电导率的特征。本文的工作说明了创建和操纵由光子组成的新型强相关拓扑量子物质的途径，并为容错量子信息设备开辟了可能性。

相关文章以“Realization of fractional quantum Hall state with interacting photons”为题发表在Science上。

内容详解

当带电粒子被限制在二维（2D）层中并在低温下受到强磁场时，将出现一种具有明显特性的新物质状态，即FQH状态。这些状态将拓扑和强相关性质与宿主准粒子与分数电荷和分数统计相结合，并且在凝聚态物理学和量子信息科学领域也具有重要意义。

在连续二维系统之外，在具有强粒子相互作用和有效磁通量的离散晶格系统中，也有望在没有外部磁场的情况下以分数Chern绝缘体的形式发生，这引发了大量关于人工晶格系统中FQH态的产生和检测的理论研究。

工程量子平台为这种人工晶格系统的实验实现提供了一种自下而上的方法，包括使用超冷原子或电路QED技术。在这些平台中，电路QED晶格中的光子是非常有前途的候选者，因为它具有片上可扩展性、晶格几何形状的柔性以及对单个站点的通用控制能力。

在电路QED平台上进行了大量的实验工作，但在足够大的二维晶格上同时实现光子相互作用和人工规范场仍然是一个重大挑战。在这里，本文设计并实现了一个使用等离子体晶格的电路QED系统，以创建和调控光子FQH态，并演示分数量子霍尔电导率的特征。

电路QED晶格

使用最近开发的等离子体光子盒来设计FQH系统，这是一个约瑟夫森结分流超导振荡器。它具有显著的不和谐性，有助于分离出用于工程复杂多体哈密顿量的干净两能级系统。

作者通过倒装芯片组装方法将其扩展为在芯片上形成二维晶格（图2A）。当第一个光子通过等离子体跃迁跳入空箱时，第二个光子将由于非谐波能量损失而被阻塞。光子跳跃是通过两个相邻盒子之间的Floquet驱动耦合器实现的。

本文在39×16晶格上布置了24个光子盒和4个耦合器，跳频幅度和相位可以动态编程。图1B显示了当Floquet驱动处于共振状态时，光子在两个孤立位点之间的周期性跳跃。图1C显示了闭环内清晰的相位干涉图案，再现了Aharonov-Bohm效应。

图1. 光子FQH态的电路QED晶格

图2. 人工磁场合成的验证

图3. 光子FQH态的绝热制备

图4. 基态波函数的描述

图5. 对外场的响应

综上所述，作者已经在具有单站点可编程性的二维电路QED晶格上实现了光子FQH态的晶格版本，这是过去十年拓扑光子学中长期追求的目标。同时还获得了验证奇异相关拓扑性质的明确特征。量子非线性光学在单光子水平上的精确控制，以及集成QED电路固有的可扩展性，为探索由光子组成的新型强相互作用拓扑量子物质和拓扑量子计算中的实际应用提供了目前的方法潜力。

通过扩大系统尺寸，大规模FQH状态的组装将进一步释放单站点可编程性的优势，用于局部任意子的拓扑相干运动。此外，通过设计超越光子-光子阻断的定制多光子相互作用，它将开辟一个可能性领域，以非阿贝尔统计作为容错量子信息硬件来合成和控制更奇特的涌现粒子。

文献信息

Can Wang†, Feng-Ming Liu†, Ming-Cheng Chen†, He Chen, Xian-He Zhao, Chong Ying, Zhong-Xia Shang, Jian-Wen Wang, Yong-Heng Huo, Cheng-Zhi Peng, Xiaobo Zhu, Chao-Yang Lu*, Jian-Wei Pan*, Realization of fractional quantum Hall state with interacting photons, Science. (2024).

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