中國科學家取得突破：打破量子領域的對稱性！

研究人員首次觀察到單個量子系統的斷裂，這一發現（以及他們是如何做出這一發現的）對物理學具有潛在的意義，超出了量子粒子如何相互作用產生物質並讓我們所知世界運轉的標準理解，並在《科學》上發表了研究結果。這個數學術語被稱為對偶時間對稱(PT)，它描述了量子系統的性質——量子粒子的時間演化，以及粒子是偶數還是奇數。無論粒子在時間上是前進還是後退，在平衡系統中奇性或均勻性的狀態是相同的。

當奇偶性改變時，系統的平衡/系統的對稱性就會破壞。為了更好地理解量子相互作用並開發下一代設備，研究人員必須能夠控制系統的對稱性。如果它們能打破對稱性，它們就能在相互作用時操縱量子粒子的自旋狀態，從而產生可控、可預測的結果。論文作者之一、中國科學技術大學合肥國家物理科學微尺度實驗室和現代物理系博士生、中國科學院微尺度磁共振重點實驗室的成員吳洋(音譯)說：我們的研究就是量子控制。

研究以鑽石中的氮空位中心為平台，氮原子有一個額外的電子，被碳原子包圍，創造了一個完美的膠囊，進一步研究電子的鉑對稱性。電子是一個單自旋系統，這意味著研究人員可以通過改變電子自旋態的演化來操縱整個系統。通過Wu和Rong所稱的膨脹方法，研究人員在氮空位中心的軸上施加磁場，將電子拉入激髮狀態。然後應用振蕩微波脈衝，改變系統的奇偶校驗和時間方向，導致它隨著時間的推移而破壞和衰減。

由於膨脹方法的普遍性和平台的高度可控性，這項工作為實驗研究一些與PT對稱有關的新物理現象鋪平了道路。通信作者杜江峰和邢榮，他們是中國科學技術大學合肥國家物理科學微尺度實驗室和現代物理系教授，也同意上述觀點。中國科學院院士杜江峰說：從這種動力學中提取信息擴展並加深了對量子物理的理解，這項研究開啟了用非經典量子系統研究奇異物理的大門。

控制單自旋系統的演化是量子計算和量子感測的關鍵。用具有奇異性質的對稱哈密頓量理論研究了量子系統的動力學。儘管在經典系統中已經探索了對偶時間對稱性，但在單個量子系統中對它的觀測仍然是難以捉摸。本研究提出了一種將一般對稱哈密頓量膨脹為厄密頓量的方法。在金剛石中發現了單氮空位中心的量子態演化過程，其量子態演化範圍從未被打破的PT對稱區域到斷裂的PT對稱區域。其結果為進一步探索和理解量子系統中對稱哈密頓量的奇異性質提供了一條途徑。

博科園｜研究/來自：中國科學技術大學

參考期刊《Science》

DOI: 10.1126/science.aaw8205

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