物理學系張威和張翔老師課題組離子阱量子實驗取得重要進展
近日，張威教授和張翔副教授課題組在離子阱量子模擬領域取得重要進展，該小組利用單個囚禁離子實現(xiàn)耗散系統(tǒng)并模擬了宇稱時間反演對稱性的非厄米模型，成功測量了其量子演化過程，并提出了通過測量直接確定奇異點（Exceptional Point, EP）的方法，同時引入了周期性的系統(tǒng)哈密頓量，建立并測得豐富的相圖。該成果的研究論文《基于單離子的宇稱時間對稱系統(tǒng)奇異點探測》（Experimental Determination of PT-Symmetric Exceptional Points in a Single Trapped Ion）與2021年2月23日刊發(fā)于國際學術期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters 126, 083604 (2021)）。
在傳統(tǒng)量子力學框架中，對封閉量子體系的狀態(tài)演化由哈密頓量確定并服從薛定諤方程，體系的厄米性保障了其具有實的能量本征值。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使得物理體系具有實數(shù)能譜，可以描述包括開放系統(tǒng)在內更普遍的對象，是從厄米體系到非厄米體系研究的天然延拓，近年來對其研究興趣一直維持在很高的熱度。非厄米系統(tǒng)中的一個獨特現(xiàn)象是奇異點，不同于一般厄米系統(tǒng)簡并，在奇異點上，多個量子態(tài)除了具有相同的能量,它們融合成為“一個"量子態(tài)。奇異點在精密測量等領域有著廣泛應用，實驗上在不同體系展現(xiàn)過奇異點的不同性質，但由于缺乏對于奇異點附近量子演化過程實驗，以往奇異點位置只能通過參數(shù)擬合后計算確定。
該課題組利用鐿離子能級，巧妙地實現(xiàn)了量子態(tài)的耗散，并將其與微波耦合一起構成實現(xiàn)哈密頓量主要操控部分（圖1）。作為該實驗系統(tǒng)的囚禁離子體系是量子模擬、量子計算等主要研究平臺之一，具有與環(huán)境耦合小、參數(shù)可控性高等量子性質，具備進行量子態(tài)層析投影測量的能力，不僅可以測量以往實驗中展現(xiàn)的態(tài)占據(jù)數(shù)演化，也可以展現(xiàn)體系密度矩陣相干項的演化，從而完整展示演化的量子過程（圖2）。由此出發(fā)，課題組發(fā)現(xiàn)了兩組和實驗參數(shù)無關的初態(tài)和測量態(tài)，可以直接由體系演化測量結果得到體系的能量值，而體系能量值為0的點正是對應的該體系奇異點。在此基礎上，課題組引入周期性驅動和耗散，將原本定態(tài)哈密頓量擴展為含時哈密頓量，并由相似的方案測量得到系統(tǒng)能量，首次由實驗繪制了體系的相圖，并觀測到系統(tǒng)哈密頓量周期與量子態(tài)耦合強度在一定條件下發(fā)生的多光子共振現(xiàn)象（圖3），最后在附錄部分從理論上分析了含時體系在測量周期微擾中的優(yōu)勢。
該論文第一作者為物理系博士生丁亮宇，通訊作者為張威教授和張翔副教授。其他作者包括物理系博士研究生施凱燁、張球新及已畢業(yè)碩士研究生申丹娜。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金、教育部裝備預研聯(lián)合基金以及中國人民大學研究基金的資助與支持。
論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.083604
圖1 鐿離子能級示意圖與實驗系統(tǒng)示意圖
圖2 不同參數(shù)和時間下系統(tǒng)密度矩陣測量
圖3 周期性體系相圖
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