首次觀察宇稱時(shí)間怎么回事？首次觀察宇稱時(shí)間什么意思？

（觀察者網(wǎng)訊）據(jù)觀察者網(wǎng)6月4日從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，中國科學(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)建立了在量子系統(tǒng)中實(shí)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(shí)間對稱性破缺。該研究成果以“Observation of parity-time symmetry breaking in a single spin system”為題，于5月31日在線發(fā)表在國際權(quán)威期刊《Science》上[Science 364, 878 (2019)]。

實(shí)現(xiàn)對量子系統(tǒng)的調(diào)控是人類認(rèn)識并利用微觀世界規(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，在世界各國的量子計(jì)劃中均被列為重點(diǎn)研究對象。開展單自旋量子調(diào)控研究有助于人們在更深層次上認(rèn)識量子物理的基礎(chǔ)科學(xué)問題，將有力推動基于量子力學(xué)原理的量子信息科學(xué)、量子精密測量、量子導(dǎo)航等諸多前沿學(xué)科研究。杜江峰研究組長期在固態(tài)自旋量子調(diào)控及應(yīng)用方面進(jìn)行研究，系統(tǒng)性提出了固態(tài)自旋量子調(diào)控實(shí)驗(yàn)方法新理念，并立足國內(nèi)自主研制了一系列國際領(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。本文是他們繼實(shí)現(xiàn)世界最高精度的單自旋量子操控之后，將目標(biāo)聚焦于如何在單自旋體系中實(shí)現(xiàn)非厄米哈密頓量的操控，以期實(shí)現(xiàn)新奇的物理學(xué)現(xiàn)象觀測。

眾所周知，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足厄米性所保障。然而，Bender于1998年提出一類滿足宇稱時(shí)間對稱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)，可以描述包括開放系統(tǒng)在內(nèi)更普遍的對象，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。盡管宇稱時(shí)間對稱哈密頓量的概念源于對量子力學(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)宇稱時(shí)間對稱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程可實(shí)現(xiàn)宇稱時(shí)間對稱哈密頓量，然而耗散會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)典物理體系開展模擬實(shí)驗(yàn)。

杜江峰研究組提出了一種新理論方案，通過引入一個(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。該方法對非厄米哈密頓量本身沒有任何限制，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)來實(shí)現(xiàn)?；诖朔桨?，研究組將金剛石中的一個(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)了宇稱時(shí)間對稱哈密頓量，并觀測到宇稱時(shí)間對稱性破缺現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果首次展示了單自旋量子態(tài)在宇稱時(shí)間對稱哈密頓量支配下的演化。通過調(diào)節(jié)哈密頓量的參數(shù)，可以清晰地觀測到從對稱性未破缺到對稱性破缺的相變過程（如圖所示）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了新方案的可行性，為進(jìn)一步研究非厄米哈密頓量相關(guān)的新奇物理性質(zhì)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖：實(shí)驗(yàn)觀測到宇稱時(shí)間對稱性破缺。A、B分別為宇稱時(shí)間對稱哈密頓量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，宇稱時(shí)間對稱性未破缺，能量本征值為實(shí)數(shù)；在r>1的區(qū)域，宇稱時(shí)間對稱性破缺，能量本征值為虛數(shù)；r=1處為相變點(diǎn)。（圖來源于《科學(xué)》文章正文）

該工作使得人們能夠用一種更普遍的方式來實(shí)現(xiàn)量子調(diào)控，從而開啟了實(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，從而為開展廣泛的量子力學(xué)基礎(chǔ)問題研究，例如在非厄米哈密頓量下研究新拓?fù)洳蛔兞?、量子熱力學(xué)、以及開放系統(tǒng)中的退相干和耗散等提供實(shí)現(xiàn)途徑。另外基于相變點(diǎn)可以提高量子測量的靈敏度，有望在基于金剛石色心的量子精密測量領(lǐng)域得到重要應(yīng)用。

中國科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生伍旸和碩士研究生劉文權(quán)為該文并列第一作者，杜江峰院士和榮星研究員為論文的共同通訊作者。

此項(xiàng)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。