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2019-06-03 15:20 |
中國科大在單自旋量子調(diào)控研究中取得進(jìn)展
中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授杜江峰領(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(duì)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(cè)到宇稱時(shí)間對(duì)稱性破缺。該研究成果以O(shè)bservation of parity-time symmetry breaking in a single spin system 為題，于5月31日在線發(fā)表在國際期刊《科學(xué)》上[Science 364, 878 (2019)]。 nv\K!wZI=b
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實(shí)現(xiàn)對(duì)量子系統(tǒng)的調(diào)控是人類認(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，在世界各國的量子計(jì)劃中均被列為重點(diǎn)研究對(duì)象。開展單自旋量子調(diào)控研究有助于人們?cè)诟顚哟紊险J(rèn)識(shí)量子物理的基礎(chǔ)科學(xué)問題，將有力推動(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)航等諸多前沿學(xué)科研究。杜江峰研究組長(zhǎng)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。該文是他們繼實(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(cè)。 W#=,FZT
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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(duì)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(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。盡管宇稱時(shí)間對(duì)稱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)宇稱時(shí)間對(duì)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(duì)稱哈密頓量，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)。 _*MK"
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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(duì)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)。基于此方案，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(duì)稱哈密頓量，并觀測(cè)到宇稱時(shí)間對(duì)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(duì)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(cè)到從對(duì)稱性未破缺到對(duì)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)。 *"OUwEl
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