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中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室杜江峰、榮星等人通過(guò)對(duì)金剛石量子比特的高精度量子操控，首次在量子體系中實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)環(huán)繞非厄米奇異點(diǎn)，并成功觀測(cè)到基于奇異點(diǎn)的本征態(tài)轉(zhuǎn)換。該研究成果以“Dynamically encircling an exceptional point in a real quantum system”為題，發(fā)表在近期的《物理評(píng)論快報(bào)》上。

近年來(lái)，對(duì)非厄米量子物理的研究成為了熱點(diǎn)，因其不同于傳統(tǒng)厄米量子物理，展現(xiàn)出新奇的物理現(xiàn)象，在量子計(jì)算、量子精密測(cè)量以及拓?fù)湮锢淼阮I(lǐng)域有著重要的影響。2019年，杜江峰課題組發(fā)展了在量子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)非厄米哈密頓量的普適方法，并在單自旋量子體系中實(shí)現(xiàn)了非厄米哈密頓量下的演化[Science 364, 878 (2019)]，為后續(xù)在量子體系中進(jìn)一步研究非厄米系統(tǒng)的新奇物理性質(zhì)開(kāi)辟了道路。

非厄米系統(tǒng)中存在一種特殊的簡(jiǎn)并點(diǎn)——奇異點(diǎn)。奇異點(diǎn)附近的能譜和厄米系統(tǒng)存在很大的差異，呈現(xiàn)出兩個(gè)撕裂的黎曼曲面相交環(huán)繞著奇異點(diǎn)的特殊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如下圖所示），并由此誘導(dǎo)了一些新奇的物理現(xiàn)象。當(dāng)調(diào)控哈密頓量參數(shù)，使其動(dòng)力學(xué)地環(huán)繞奇異點(diǎn)時(shí),會(huì)呈現(xiàn)出拓?fù)浔Ｗo(hù)的本征態(tài)轉(zhuǎn)換。然而，在量子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)這種本征態(tài)轉(zhuǎn)換，要求體系在含時(shí)非厄米哈密頓量下演化，這非常具有挑戰(zhàn)性，因此之前的相關(guān)研究均基于經(jīng)典體系開(kāi)展模擬實(shí)驗(yàn)。

圖：奇異點(diǎn)的能譜結(jié)構(gòu)以及動(dòng)力學(xué)環(huán)繞奇異點(diǎn)導(dǎo)致的本征態(tài)轉(zhuǎn)換。藍(lán)色和紅色曲面分別對(duì)應(yīng)非厄米哈密頓量的兩個(gè)本征能量，兩者在相交的奇異點(diǎn)附近呈現(xiàn)出獨(dú)特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。能譜面上帶箭頭的曲線對(duì)應(yīng)環(huán)繞奇異點(diǎn)的演化軌跡。圖a和圖b的環(huán)繞起點(diǎn)處在宇稱(chēng)時(shí)間對(duì)稱(chēng)相，呈現(xiàn)出非對(duì)稱(chēng)的本征態(tài)轉(zhuǎn)換，即末態(tài)取決于環(huán)繞奇異點(diǎn)的方向，圖c和圖d的環(huán)繞起點(diǎn)處在宇稱(chēng)時(shí)間對(duì)稱(chēng)破缺相，呈現(xiàn)出對(duì)稱(chēng)的本征態(tài)轉(zhuǎn)換，即末態(tài)不依賴(lài)于環(huán)繞奇異點(diǎn)的方向。

研究組基于在量子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)非厄米哈密頓量的普適方法，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(guò)量子調(diào)控的手段，實(shí)現(xiàn)了含時(shí)非厄米哈密頓量下的演化，并成功地觀測(cè)到兩種本征態(tài)轉(zhuǎn)換。即當(dāng)環(huán)繞的起始點(diǎn)處于宇稱(chēng)時(shí)間對(duì)稱(chēng)相時(shí)，量子系統(tǒng)的末態(tài)依賴(lài)于環(huán)繞奇異點(diǎn)的方向，和環(huán)繞初態(tài)無(wú)關(guān)（如圖a, b所示），本征態(tài)轉(zhuǎn)換呈現(xiàn)出非對(duì)稱(chēng)性。而當(dāng)起始點(diǎn)處于宇稱(chēng)時(shí)間對(duì)稱(chēng)破缺相時(shí)，環(huán)繞末態(tài)和初態(tài)及環(huán)繞方向都無(wú)關(guān)（如圖c, d所示），本征態(tài)轉(zhuǎn)換呈現(xiàn)出對(duì)稱(chēng)性。研究組進(jìn)一步的探索還發(fā)現(xiàn)，這類(lèi)模式轉(zhuǎn)換對(duì)于環(huán)繞路徑上的隨機(jī)噪聲有很強(qiáng)的魯棒性，這將在量子計(jì)算及量子信息處理領(lǐng)域有重要的應(yīng)用潛力。

這項(xiàng)工作基于奇異點(diǎn)實(shí)現(xiàn)拓?fù)浔Ｗo(hù)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(shí)現(xiàn)含時(shí)非厄米哈密頓量，也為進(jìn)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(diǎn)、探索非厄米拓?fù)洳蛔兞康鹊於嘶A(chǔ)。

中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xiàng)研究得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院和安徽省的資助。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.170506

（中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、物理學(xué)院、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心、中國(guó)科學(xué)院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）