中國科大首次在量子體系中實現(xiàn)動力學(xué)環(huán)繞非厄米奇異點

5月7日消息（余予)近年來，非厄米量子物理成為研究的熱點，實驗和理論的進展更是極大地促進了非厄米物理學(xué)的發(fā)展；同時，非厄米量子物理不同于傳統(tǒng)的厄米量子物理，有其新奇的物理現(xiàn)象，在量子計算、量子精密測量以及拓撲物理等領(lǐng)域有重要的影響。

2019年，杜江峰課題組建立了在量子系統(tǒng)中實現(xiàn)基于非厄米哈密頓量的量子調(diào)控普適理論，并通過對金剛石量子比特的高精度量子操控，首次在單自旋體系中觀測到宇稱時間對稱性破缺，為后續(xù)在量子體系中進一步研究非厄米系統(tǒng)的新奇物理性質(zhì)開辟了道路。

日前，中國科大研究團隊在非厄米奇異點拓撲性質(zhì)的研究中取得重要進展。中國科大中國科學(xué)院微觀磁共振重點實驗室杜江峰、榮星等人通過對金剛石量子比特的高精度量子操控，首次在量子體系中實現(xiàn)動力學(xué)環(huán)繞非厄米奇異點，并成功觀測到基于奇異點的本征態(tài)轉(zhuǎn)換。

非厄米系統(tǒng)中存在一種特殊的簡并點——奇異點。奇異點附近的能譜和厄米系統(tǒng)存在很大的差異，呈現(xiàn)出兩個撕裂的黎曼曲面相交環(huán)繞著奇異點的特殊拓撲結(jié)構(gòu)，并由此誘導(dǎo)了一些新奇的物理現(xiàn)象。

圖：奇異點的能譜結(jié)構(gòu)以及動力學(xué)環(huán)繞奇異點導(dǎo)致的本征態(tài)轉(zhuǎn)換。藍色和紅色曲面分別對應(yīng)非厄米哈密頓量的兩個本征能量，兩者在相交的奇異點附近呈現(xiàn)出獨特的拓撲結(jié)構(gòu)。能譜面上帶箭頭的曲線對應(yīng)環(huán)繞奇異點的演化軌跡。

基于非厄米哈密頓量的量子調(diào)控普適理論，研究團隊以金剛石氮-空位色心的核自旋為輔助比特，電子自旋為系統(tǒng)比特，通過量子調(diào)控的手段，實現(xiàn)了含時非厄米哈密頓量下的演化，并成功地觀測到兩種本征態(tài)轉(zhuǎn)換：當(dāng)環(huán)繞的起始點處于宇稱時間對稱相時，量子系統(tǒng)的末態(tài)依賴于環(huán)繞奇異點的方向，和環(huán)繞初態(tài)無關(guān)（如圖a, b所示），本征態(tài)轉(zhuǎn)換呈現(xiàn)出非對稱性。而當(dāng)起始點處于宇稱時間對稱破缺相時，環(huán)繞末態(tài)和初態(tài)及環(huán)繞方向都無關(guān)（如圖c, d所示），本征態(tài)轉(zhuǎn)換呈現(xiàn)出對稱性。研究組進一步的探索還發(fā)現(xiàn)，這類模式轉(zhuǎn)換對于環(huán)繞路徑上的隨機噪聲有很強的魯棒性，這將在量子計算及量子信息處理領(lǐng)域有重要的應(yīng)用潛力。

該成果于近日在《物理評論快報》上發(fā)表。這項工作基于奇異點實現(xiàn)拓撲保護的本征態(tài)轉(zhuǎn)換，為量子控制提供了全新的思路。而在量子系統(tǒng)實現(xiàn)含時非厄米哈密頓量，也為進一步研究非厄米系統(tǒng)的新奇物理，如環(huán)繞高階的奇異點、探索非厄米拓撲不變量等奠定了基礎(chǔ)。

中國科學(xué)院微觀磁共振重點實驗室博士研究生劉文權(quán)和博士后研究員伍旸為該文并列第一作者，杜江峰院士和榮星特任教授為論文的共同通訊作者。此項研究得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院和安徽省的資助。

論文鏈接：http://m.ygpos.cn/uploadfile/2021/0507/20210507171012535G.170506

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