国际首次！光子的霍尔之舞 | 袁岚峰_风闻

最近有个大新闻，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、陈明城等人利用自主研发的Plasmonium型超导高非谐性光学谐振器阵列，实现了光子间的非线性相互作用，并在此系统中构造人工规范场，**在国际上首次实现了光子的反常分数量子霍尔态。**这是利用量子模拟进行量子物态研究的重要进展，论文5月2日发表在国际顶级期刊《Science》。

呃，这说的是啥？其实大家如果想深入了解，可以看林梅博士在墨子沙龙的介绍文章《Science：让光子跳出霍尔的舞步》。不过可想而知，大多数人的问题是对这串术语一个都看不懂，更不用说连起来了。所以，下面我就给个大框架的解释。听了这个框架，你对这项研究的了解就会超过90%的人。

首先，这个领域叫做量子模拟，即用一个量子体系模拟另一个量子体系。为什么要这样做呢？因为量子体系A可能是很难制备的，或者测量起来非常困难，所以我们造一个量子体系B，它们的性质在很多方面是对应的，测量B就能了解A。好比你造个太阳系的模型，在里面行走就可以代替你横跨整个太阳系。

然后，要模拟的对象叫做反常分数量子霍尔效应。数数看，这个词有多少重修饰：反常，分数，量子，霍尔效应。实际上，是先有1879年发现的霍尔效应，然后有1980年发现的量子霍尔效应，然后有1981年发现的分数量子霍尔效应，然后有2013年发现的整数量子反常霍尔效应，然后有2023年发现的分数反常量子霍尔效应。

这个家族太复杂了，所以我们就不详细介绍了。只需要明白一点，这是凝聚态物理中的一类重要现象，已经得了两次诺贝尔奖。它有潜在的重要应用，例如拓扑量子计算。但传统的问题在于，制备这样的体系需要非常极端的条件，例如很低的温度、很强的磁场、很纯的样品，这极大地制约了它的研究和应用。

现在你就明白，为什么要用其他体系来模拟它了吧？凝聚态体系的反常分数量子霍尔效应就好比太阳系，模拟它的光学体系就好比太阳系的模型。

然后，用光学来模拟量子霍尔效应的困难在于，这是个强关联的效应，即电子间的相互作用导致重要后果，而光子之间的相互作用一般而言是很弱的。但奇妙的是，我的这些科大同事确实产生了光子之间的相互作用！他们的办法就是这个新闻的第一句，基于自主研发的Plasmonium型超导高非谐性光学谐振器阵列。

用陆朝阳自己的话解释，这个所谓Plasmonium就好比一个小盒子，可以把光子囚禁在里边，然后让小盒子之间产生相互作用。他们构建了4 * 4的小盒子阵列，然后利用它们之间的相互作用，构造出了分数反常量子霍尔效应的状态。

最妙的是，这个体系不需要低温，不需要磁场，所以应用前景比原始的分数反常量子霍尔效应大得多。也许有一天，确实可以用它实现拓扑量子计算，或者其他不可思议的应用。

最后，有人问，这个成果能不能得诺贝尔奖？回答是，至少现在还得不了。因为它只是开创了一种方法，但还没有得到重大的科学成果。好比打开一扇门发现里面有宝藏，但还不确定宝藏是什么，那么最重要的就是赶快去找。以后如果有了重大的科学成果，得个诺贝尔奖什么的自然不在话下。

陆朝阳经常引用这样一句话：什么时候量子计算才能用来做科学（do science），而不是像现在这样本身就是科学（be science）？能用来做科学，就是这个领域成熟的标志。