首次觀察宇稱時間怎么回事？首次觀察宇稱時間什么意思？

（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實驗室研究團隊建立了在量子系統(tǒng)中實現(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)]。

實現(xiàn)對量子系統(tǒng)的調(diào)控是人類認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劃中均被列為重點研究對象。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)用方面進行研究，系統(tǒng)性提出了固態(tài)自旋量子調(diào)控實驗方法新理念，并立足國內(nèi)自主研制了一系列國際領(lǐng)先的自旋調(diào)控實驗裝備，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。本文是他們繼實現(xiàn)世界最高精度的單自旋量子操控之后，將目標聚焦于如何在單自旋體系中實現(xiàn)非厄米哈密頓量的操控，以期實現(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)界強烈的研究興趣。盡管宇稱時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現(xiàn)宇稱時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現(xiàn)宇稱時間對稱哈密頓量，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驗。

杜江峰研究組提出了一種新理論方案，通過引入一個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演化，均只需要消耗一個輔助比特的代價來實現(xiàn)。基于此方案，研究組將金剛石中的一個氮-空位缺陷中的電子自旋用作系統(tǒng)比特，一個核自旋作為輔助比特，實現(xiàn)了宇稱時間對稱哈密頓量，并觀測到宇稱時間對稱性破缺現(xiàn)象。實驗結(jié)果首次展示了單自旋量子態(tài)在宇稱時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）。實驗結(jié)果驗證了新方案的可行性，為進一步研究非厄米哈密頓量相關(guān)的新奇物理性質(zhì)提供了堅實的基礎(chǔ)。

圖：實驗觀測到宇稱時間對稱性破缺。A、B分別為宇稱時間對稱哈密頓量HPT本征能量E的實部和虛部。哈密頓量在其參數(shù)0<r<1的區(qū)域，宇稱時間對稱性未破缺，能量本征值為實數(shù)；在r>1的區(qū)域，宇稱時間對稱性破缺，能量本征值為虛數(shù)；r=1處為相變點。（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現(xiàn)量子調(diào)控，從而開啟了實驗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撲不變量、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現(xiàn)途徑。另外基于相變點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)院微觀磁共振重點實驗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。