研究人員首次觀察到單個(gè)量子系統(tǒng)的斷裂，這一發(fā)現(xiàn)（以及他們是如何做出這一發(fā)現(xiàn)的）對(duì)物理學(xué)具有潛在的意義，超出了量子粒子如何相互作用產(chǎn)生物質(zhì)并讓我們所知世界運(yùn)轉(zhuǎn)的標(biāo)準(zhǔn)理解，并在《科學(xué)》上發(fā)表了研究結(jié)果。

這個(gè)數(shù)學(xué)術(shù)語(yǔ)被稱為對(duì)偶時(shí)間對(duì)稱(PT)，它描述了量子系統(tǒng)的性質(zhì)——量子粒子的時(shí)間演化，以及粒子是偶數(shù)還是奇數(shù)。無(wú)論粒子在時(shí)間上是前進(jìn)還是后退，在平衡系統(tǒng)中奇性或均勻性的狀態(tài)是相同的。

當(dāng)奇偶性改變時(shí)，系統(tǒng)的平衡/系統(tǒng)的對(duì)稱性就會(huì)破壞。為了更好地理解量子相互作用并開(kāi)發(fā)下一代設(shè)備，研究人員必須能夠控制系統(tǒng)的對(duì)稱性。如果它們能打破對(duì)稱性，它們就能在相互作用時(shí)操縱量子粒子的自旋狀態(tài)，從而產(chǎn)生可控、可預(yù)測(cè)的結(jié)果。論文作者之一、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥國(guó)家物理科學(xué)微尺度實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)代物理系博士生、中國(guó)科學(xué)院微尺度磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的成員吳洋(音譯)說(shuō)：我們的研究就是量子控制。

研究以鉆石中的氮空位中心為平臺(tái)，氮原子有一個(gè)額外的電子，被碳原子包圍，創(chuàng)造了一個(gè)完美的膠囊，進(jìn)一步研究電子的鉑對(duì)稱性。電子是一個(gè)單自旋系統(tǒng)，這意味著研究人員可以通過(guò)改變電子自旋態(tài)的演化來(lái)操縱整個(gè)系統(tǒng)。通過(guò)Wu和Rong所稱的膨脹方法，研究人員在氮空位中心的軸上施加磁場(chǎng)，將電子拉入激發(fā)狀態(tài)。然后應(yīng)用振蕩微波脈沖，改變系統(tǒng)的奇偶校驗(yàn)和時(shí)間方向，導(dǎo)致它隨著時(shí)間的推移而破壞和衰減。

由于膨脹方法的普遍性和平臺(tái)的高度可控性，這項(xiàng)工作為實(shí)驗(yàn)研究一些與PT對(duì)稱有關(guān)的新物理現(xiàn)象鋪平了道路。通信作者杜江峰和邢榮，他們是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥國(guó)家物理科學(xué)微尺度實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)代物理系教授，也同意上述觀點(diǎn)。中國(guó)科學(xué)院院士杜江峰說(shuō)：從這種動(dòng)力學(xué)中提取信息擴(kuò)展并加深了對(duì)量子物理的理解，這項(xiàng)研究開(kāi)啟了用非經(jīng)典量子系統(tǒng)研究奇異物理的大門(mén)。

控制單自旋系統(tǒng)的演化是量子計(jì)算和量子傳感的關(guān)鍵。用具有奇異性質(zhì)的對(duì)稱哈密頓量理論研究了量子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)。盡管在經(jīng)典系統(tǒng)中已經(jīng)探索了對(duì)偶時(shí)間對(duì)稱性，但在單個(gè)量子系統(tǒng)中對(duì)它的觀測(cè)仍然是難以捉摸。本研究提出了一種將一般對(duì)稱哈密頓量膨脹為厄密頓量的方法。在金剛石中發(fā)現(xiàn)了單氮空位中心的量子態(tài)演化過(guò)程，其量子態(tài)演化范圍從未被打破的PT對(duì)稱區(qū)域到斷裂的PT對(duì)稱區(qū)域。其結(jié)果為進(jìn)一步探索和理解量子系統(tǒng)中對(duì)稱哈密頓量的奇異性質(zhì)提供了一條途徑。

博科園｜研究/來(lái)自：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)

參考期刊《Science》

DOI: 10.1126/science.aaw8205

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