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科研希望

物理与天文学院罗乐教授团队首次使用超冷原子系统对宇称-时间对称非厄米量子系统实现量子模拟

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ng电子游戏物理与天文学院罗乐教授研究团队在2月20日出书的Nature Communications上以“Observation of parity-time symmetry breaking transitions in a dissipative Floquet system of ultracold atoms（在耗散弗洛凯系统的超冷原子中视察到宇称-时间对称性破缺）”为题报道了天下上首个使用超冷原子系统对宇称-时间对称非厄米量子力学举行量子模拟的实验（Nature Communications, 10:855, 2019）。。罗乐教授和理论相助者印第安纳普渡大学教授Yogesh N Joglekar是配合通讯作者，物理与天文学院特聘研究员李佳明是该论文的第一作者。。

从狄拉克时代起，古板量子力学以为一个量子系统的哈密顿量是由希尔伯特空间上界说的厄米算符来形貌，从而包管系统能量简直定性和系统几率守恒。。近年，随着量子力学研究从关闭系统向开放系统的逐步深入，理论物理学家开展了宇称-时间对称的非厄米哈密顿量来形貌一大类增益和耗散平衡的开放量子系统。。在这类系统中，只管哈密顿量是非厄米的，可是由于其知足宇称-时间联合反演对称，因而系统仍然可以有确定的能量和非发散的几率。。已往一经使用光子晶体、、集成光波导等经典物理系统对这类宇称-时间对称的非厄米哈密顿量举行过模拟，发明了诸如拓扑能量转移、、单偏向光撒播、、反激光等奇异光学征象。。而实现宇称-时间对称的非厄米量子系统，一直是实验物理学家孜孜以求的主要目的。。这样的实验系统对基础物理和数学的开展有主要意义，可以通过调控这类系统的哈密顿量，以量子模拟的手段来研究李政道量子场模子、、基本粒子标准模子的希格斯部分、、真空的不稳固性，甚至还可从实验上实现一类宇称-时间对称哈密顿量来证实著名的数学难题黎曼意料。。

可是在量子系统中实现宇称-时间对称的非厄米系统的难度极大，需要对量子系统的耗散、、相关演化、、相互作用举行苛刻的控制。。这样的量子系统很是难于寻找，其中使用激光冷却与囚禁手艺制备的超冷费米原子简并气体是实验的候选系统之一。。费米原子简并气体是激光冷却和囚禁手艺、、玻色原子的玻色爱因斯坦凝聚获得诺贝尔奖之后，冷原子领域第三个具有里程碑意义的事情。。罗乐教授早年一经和其博士导师杜克大学Fritz London讲座教授John Thomas一起对费米简并气体中实现凝聚和超流的实验事情做出过涤讪性孝顺。。近十年来，罗乐教授向导的研究团队恒久在海内外从事超冷费米原子实验研究事情，致力于使用超冷费米原子实现开放量子系统的量子模拟。。现在的这个实验，使用周期性共振光脉冲序列导致的自旋依赖布居数耗散、、射频场耦合下的自旋拉比振荡、、以及Feshbach共振调制下的相互作用控制，在一个量子系统中同时实现了细密调控耗散、、相关和相互作用三概略素，为实现宇称-时间对称的非厄米哈密顿量的量子模拟涤讪了手艺基础。。

实验效果不但准确地复现了在经典系统中已经视察到的静态哈密顿量的宇称-时间对称性破缺，还使用周期性耗散机制发明了在恣意小耗散下的宇称-时间对称性破缺，视察到系统的能量可以在极其细小的耗散下爆发不可逆的发散。。差别于以往静态哈密顿量的单参数相变，周期性耗散驱动的宇称-时间对称性的相图在频率的参数空间实现延拓，在特定的频率区间，宇称-时间对称性关于耗散有极其敏感的响应。。这个征象之前只有理论预言，而罗乐教授小组首次在绝对零度之上500纳开尔文的超冷费米气体中首次视察到。。同时这项事情还发明了对称性破弱点周围的慢衰变模式、、类比于多光子跃迁的高阶PT对称性破缺等新颖有趣的物理征象。。

现在，罗乐教授研究团队正基于非厄米量子系统研究宇称-时间对称哈密顿量的拓扑量子态转换、、耗散下的量子相关态坚持、、以及高阶奇异点附件的超迅速能谱响应。。这些研究将为基于开放量子系统的量子盘算和量子细密丈量开拓新的前沿。。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-08596-1

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