近年來，非厄米量子物理成為研究的熱點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)和理論的進(jìn)展更是極大地促進(jìn)了非厄米物理學(xué)的發(fā)展;同時(shí)，非厄米量子物理不同于傳統(tǒng)的厄米量子物理，有其新奇的物理現(xiàn)象，在量子計(jì)算、量子精密測(cè)量以及拓?fù)湮锢淼阮I(lǐng)域有重要的影響。
2019 年，杜江峰課題組建立了在量子系統(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，為后續(xù)在量子體系中進(jìn)一步研究非厄米系統(tǒng)的新奇物理性質(zhì)開辟了道路。
日前，中國科大研究團(tuán)隊(duì)在非厄米奇異點(diǎn)拓?fù)湫再|(zhì)的研究中取得重要進(jìn)展。中國科大中國科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室杜江峰、榮星等人通過對(duì)金剛石量子比特的高精度量子操控，首次在量子體系中實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)環(huán)繞非厄米奇異點(diǎn)，并成功觀測(cè)到基于奇異點(diǎn)的本征態(tài)轉(zhuǎn)換。
非厄米系統(tǒng)中存在一種特殊的簡(jiǎn)并點(diǎn) —— 奇異點(diǎn)。奇異點(diǎn)附近的能譜和厄米系統(tǒng)存在很大的差異，呈現(xiàn)出兩個(gè)撕裂的黎曼曲面相交環(huán)繞著奇異點(diǎn)的特殊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并由此誘導(dǎo)了一些新奇的物理現(xiàn)象。
圖：奇異點(diǎn)的能譜結(jié)構(gòu)以及動(dòng)力學(xué)環(huán)繞奇異點(diǎn)導(dǎo)致的本征態(tài)轉(zhuǎn)換。藍(lán)色和紅色曲面分別對(duì)應(yīng)非厄米哈密頓量的兩個(gè)本征能量，兩者在相交的奇異點(diǎn)附近呈現(xiàn)出獨(dú)特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。能譜面上帶箭頭的曲線對(duì)應(yīng)環(huán)繞奇異點(diǎn)的演化軌跡。
基于非厄米哈密頓量的量子調(diào)控普適理論，研究團(tuán)隊(duì)以金剛石氮 - 空位色心的核自旋為輔助比特，電子自旋為系統(tǒng)比特，通過量子調(diào)控的手段，實(shí)現(xiàn)了含時(shí)非厄米哈密頓量下的演化，并成功地觀測(cè)到兩種本征態(tài)轉(zhuǎn)換：當(dāng)環(huán)繞的起始點(diǎn)處于宇稱時(shí)間對(duì)稱相時(shí)，量子系統(tǒng)的末態(tài)依賴于環(huán)繞奇異點(diǎn)的方向，和環(huán)繞初態(tài)無關(guān)(如圖 a, b 所示)，本征態(tài)轉(zhuǎn)換呈現(xiàn)出非對(duì)稱性。而當(dāng)起始點(diǎn)處于宇稱時(shí)間對(duì)稱破缺相時(shí)，環(huán)繞末態(tài)和初態(tài)及環(huán)繞方向都無關(guān)(如圖 c, d 所示)，本征態(tài)轉(zhuǎn)換呈現(xiàn)出對(duì)稱性。研究組進(jìn)一步的探索還發(fā)現(xiàn)，這類模式轉(zhuǎn)換對(duì)于環(huán)繞路徑上的隨機(jī)噪聲有很強(qiáng)的魯棒性，這將在量子計(jì)算及量子信息處理領(lǐng)域有重要的應(yīng)用潛力。
該成果于近日在《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表。這項(xiàng)工作基于奇異點(diǎn)實(shí)現(xiàn)拓?fù)浔Ｗo(hù)的本征態(tài)轉(zhuǎn)換，為量子控制提供了全新的思路。而在量子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)含時(shí)非厄米哈密頓量，也為進(jìn)一步研究非厄米系統(tǒng)的新奇物理，如環(huán)繞高階的奇異點(diǎn)、探索非厄米拓?fù)洳蛔兞康鹊於嘶A(chǔ)。
中國科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生劉文權(quán)和博士后研究員伍旸為該文并列第一作者，杜江峰院士和榮星特任教授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。
