5月31日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)杜江峰院士領(lǐng)導(dǎo)的中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)在Science發(fā)表文章 ，首次在單自旋體系中觀測(cè)到宇稱(chēng)時(shí)間對(duì)稱(chēng)性破缺。該文是他們?cè)趯?shí)現(xiàn)世界最高精度的單自旋量子操控之后的又一重大成果。
杜江峰和榮星研究員為論文的共同通訊作者，伍旸和劉文權(quán)為共同第一作者。
實(shí)現(xiàn)對(duì)量子系統(tǒng)的調(diào)控是人類(lèi)認(rèn)識(shí)并利用微觀世界規(guī)律的必然訴求，也是諸多前沿科學(xué)領(lǐng)域的核心要素。自旋作為一種重要的量子調(diào)控研究體系，有助于在更深層次上認(rèn)識(shí)量子物理的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，推動(dòng)基于量子力學(xué)原理的量子信息科學(xué)、量子精密測(cè)量、量子導(dǎo)航等諸多前沿科學(xué)研究。
量子體系的狀態(tài)演化由哈密頓量確定并服從薛定諤方程。在傳統(tǒng)量子力學(xué)框架中，實(shí)的能量本征值由哈密頓量滿(mǎn)足厄米性所保障。然而，Bender于1998年提出一類(lèi)滿(mǎn)足宇稱(chēng)時(shí)間對(duì)稱(chēng)性的非厄米哈密頓量也可保證物理能量本征值為實(shí)數(shù)，可以描述包括開(kāi)放系統(tǒng)在內(nèi)更普遍的對(duì)象，從而拓展了量子力學(xué)的范疇。
尤其值得指出的是，非厄米哈密頓量所描述的物理體系能夠展示出一些新奇的物理性質(zhì)，因此激發(fā)了物理學(xué)界強(qiáng)烈的研究興趣。盡管宇稱(chēng)時(shí)間對(duì)稱(chēng)哈密頓量的概念源于對(duì)量子力學(xué)框架的拓展，但是通常的量子體系由厄米哈密頓量所描述，從而要在通常的量子體系中實(shí)現(xiàn)宇稱(chēng)時(shí)間對(duì)稱(chēng)哈密頓量的演化具有巨大挑戰(zhàn)。先前的理論指出引入耗散過(guò)程可實(shí)現(xiàn)宇稱(chēng)時(shí)間對(duì)稱(chēng)哈密頓量，然而耗散會(huì)不可避免地破壞量子相干性，非常不利于在量子系統(tǒng)中開(kāi)展相關(guān)研究，因此之前絕大部分相關(guān)研究為基于經(jīng)典物理體系開(kāi)展模擬實(shí)驗(yàn)。
圖：實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到宇稱(chēng)時(shí)間對(duì)稱(chēng)性破缺。A、B分別為宇稱(chēng)時(shí)間對(duì)稱(chēng)哈密頓量HPT本征能量E的實(shí)部和虛部。哈密頓量在其參數(shù)0<r<1的區(qū)域，宇稱(chēng)時(shí)間對(duì)稱(chēng)性未破缺，能量本征值為實(shí)數(shù)；在r>1的區(qū)域，宇稱(chēng)時(shí)間對(duì)稱(chēng)性破缺，能量本征值為虛數(shù)；r=1處為相變點(diǎn)。
杜江峰研究組長(zhǎng)期致力于固態(tài)自旋量子調(diào)控及應(yīng)用研究，系統(tǒng)性地提出了固態(tài)自旋量子調(diào)控實(shí)驗(yàn)方法新理念，并立足國(guó)內(nèi)自主研制了一系列國(guó)際領(lǐng)先的自旋調(diào)控實(shí)驗(yàn)裝備，在自制裝備上系統(tǒng)性地發(fā)展了單自旋量子調(diào)控技術(shù)，把微觀磁共振手段推廣應(yīng)用于物理、生物、化學(xué)等前沿科研中。
近日，杜江峰研究組提出了一種全新的理論方案，通過(guò)引入一個(gè)輔助比特在量子系統(tǒng)中研究由非厄米哈密頓量所支配的演化規(guī)律。該方法對(duì)非厄米哈密頓量本身沒(méi)有任何限制，包括任何維度及含時(shí)演化，均只需要消耗一個(gè)輔助比特的代價(jià)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
基于該方案，研究人員將金剛石中的一個(gè)氮-空位缺陷中的電子自旋用作系統(tǒng)比特，一個(gè)核自旋作為輔助比特，實(shí)現(xiàn)了宇稱(chēng)時(shí)間對(duì)稱(chēng)哈密頓量，并觀測(cè)到宇稱(chēng)時(shí)間對(duì)稱(chēng)性破缺現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果首次展示了單自旋量子態(tài)在宇稱(chēng)時(shí)間對(duì)稱(chēng)哈密頓量支配下的演化。通過(guò)調(diào)節(jié)哈密頓量的參數(shù)，可以清晰地觀測(cè)到從對(duì)稱(chēng)性未破缺到對(duì)稱(chēng)性破缺的相變過(guò)程。
該成果使得科學(xué)家能夠用一種更普遍的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)量子調(diào)控，開(kāi)啟了實(shí)驗(yàn)研究非厄米量子力學(xué)的新篇章。該成果適用于在各種量子體系實(shí)現(xiàn)任意非厄米哈密頓量，從而為開(kāi)展廣泛的量子力學(xué)基礎(chǔ)問(wèn)題研究提供實(shí)現(xiàn)途徑。除此之外，基于相變點(diǎn)可以提高量子測(cè)量的靈敏度，有望在基于金剛石色心的量子精密測(cè)量領(lǐng)域得到重要應(yīng)用。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，這是中科大2019年在CNS三大刊上發(fā)表的第九篇文章。正所謂，窮清華,富北大,不要命上中科大，果然是名不虛傳。
原文鏈接：https://science.sciencemag.org/content/364/6443/878
文章來(lái)源：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
