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普吉岛-国际初次!我国科学家观察到宇称时刻对称

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(观察者网讯)据观察者网6月4日从中国科学技能大学得悉,中国科学技能大学杜江峰院士领导的中科院微观磁共振要点试验室研讨团队建立了在量子系统中完成根据非厄米哈密顿量的量子调控普适理论,并经过对金刚石量子比特的高精度量子控制,初次在单自旋系统中观测到宇称时刻对称性破缺。该研讨效果以“Observation of parity-time symmetry breaking in a single spin system”为题,于5月31日在线宣布在国际威望期刊《Science》上[Science 364, 878 (2019)]。

完成对量子系统的调控是人类知道并使用微观国际规则的必定诉求,也是许多前沿科学范畴的中心要素。自旋作为一种重要的量子调控研讨系统,在国际各国的量子计划中均被列为要点研讨方针。展开单自旋量子调控研讨有助于人们在更深层次上知道量子物理的根底科学问题,将有力推进根据量子力学原理的量子信息科学、量子精细丈量、量子导航等许多前沿学科研讨。杜江峰研讨组长时刻在固态自旋量子调控及使用方面进行研讨,系统性提出了固态自旋量子调控试验办法新理念,并安身国内自主研发了一系列国际抢先的自旋调控试验配备,在克己配备上系统性地展开了单自旋量子调控技能,把微观磁共振手法推行使用于物理、生物、化学等前沿科研中。本文是他们继完成国际最高精度的单自旋量子控制之后,将方针聚集于如安在单自旋系统中完成非厄米哈密顿量的控制,以期完成别致的物理学现象观测。

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众所周知,量子系统的状况演化由哈密顿量确认并遵守薛定谔方程。在传统量子力学结构中,实的能量本征值由哈密顿量满意厄米性所确保。可是,Bender于1998年提出一类满意宇称时刻对称性的非厄米哈密顿量也可确保物理能量本征值为实数,能够描绘包含开放系统在内更遍及的方针,然后拓宽了量子力学的范畴。特别值得指出的是,非厄米哈密顿量所描绘的物理系统能够展现出一些别致的物理性质,因而激发了物理学界激烈的研讨爱好。虽然宇称时刻对称哈密顿量的概念源于对量子力学结构的拓宽,可是一般的量子系统由厄米哈密顿量所描绘,然后要在一般的量子系统中完成宇称时刻对称哈密顿量的演化具有巨大应战。从前的理论指出引进耗散进程可完成宇称时刻对称哈密顿量,可是耗闭会不可避免地损坏量子相干性,十分不利于在量子系统中展开相关研讨,因而之前绝大部分相关研讨为根据经典物理系统展开模拟试验。

杜江峰研讨组提出了一种新理论计划,经过引进一个辅佐比特在量子系统中研讨由非厄米哈密顿量所分配的演化规则。该办法对非厄米哈密顿量自身没有任何约束,包含任何维度及含时演化,均只需要耗费一个辅佐比特的价值来完成。根据此计划,研讨组将金刚石中的一个氮-空位缺点中的电子自旋用作系统比特,一个核自旋作为辅佐比特,完成了宇称时刻对称哈密顿量,并观测到宇称时刻对称性破缺现象。试验效果初次展现了单自旋量子态在宇称时刻对称哈密顿量分配下的演化。经过调理哈密顿量的参数,能够明晰地观测到从对称性未破缺到对称性破缺的相变进程(如图所示)。试验效果验证了新计划的可行性,为进一步研讨非厄米哈密顿量相关的别致物理性质供给了坚实的根底。

图:试验观测到宇称时刻对称性破缺。A普吉岛-国际初次!我国科学家观察到宇称时刻对称、B分别为宇称时刻对称哈密顿量HPT本征能量E的实部和虚部。哈密顿量在其参数0 1的区域,宇称时刻对称性破缺,能量本征值为虚数;r=1处为相变点。(图来源于《科学》文章正文)

该作业使得人们能够用一种更遍及的方法来完成量子调控,然后敞开了试验研讨普吉岛-国际初次!我国科学家观察到宇称时刻对称非厄米量子力学的新篇章。该效果适用于在各种量子系统完成恣意非厄米哈密顿量,然后为展开广泛的量子力学根底问题研讨,例如在非厄米哈密顿量下研讨新拓扑不变量、量子热力学、以及开放系统中的退相干和耗散等供给完成途径。别的根据相变点能够进步量子丈量的灵敏度,有望在根据金刚石色心的量子精细丈量范畴得到重要使用。

中国科学院微观磁共振要点试验室博士研讨生伍旸和硕士研讨生刘文权为该文并列第一作者,杜江峰院士和荣星研讨员为论文的一起通讯作者。

此项研讨得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院和安徽省的赞助。

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