清華新聞網(wǎng)4月27日電 近日，清華大學(xué)交叉信息研究院段路明教授研究組與徐勇助理教授合作，在離子阱系統(tǒng)中，首次實(shí)驗(yàn)測(cè)量了非厄米系統(tǒng)的復(fù)數(shù)能譜及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
非厄米系統(tǒng)由于其獨(dú)特的拓?fù)涮匦远鴱V受關(guān)注。非厄米系統(tǒng)通常具有復(fù)數(shù)能量，并且其復(fù)數(shù)能量可能具備諸如鏈環(huán)或紐結(jié)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是能量始終為實(shí)數(shù)的厄米系統(tǒng)所不具備的。近來(lái)，由于其獨(dú)特的拓?fù)湫再|(zhì)以及潛在的量子信息處理應(yīng)用，在離子阱、冷原子、超導(dǎo)電路以及固態(tài)自旋系統(tǒng)等量子模擬平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)非厄米哈密頓量已成為一個(gè)重要的研究目標(biāo)，并且已取得很大進(jìn)展。然而，非厄米能譜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的決定性特征尚未被實(shí)驗(yàn)探測(cè)到。實(shí)際上，實(shí)驗(yàn)測(cè)量非厄米系統(tǒng)的復(fù)數(shù)本征能量仍然是一個(gè)重大挑戰(zhàn)，這使直接探測(cè)能譜的拓?fù)湫再|(zhì)變得十分困難。最近，徐勇研究組提出一種被稱(chēng)為非厄米吸收光譜學(xué)的方法，用于測(cè)量非厄米量子系統(tǒng)中的復(fù)數(shù)能譜，這為在離子阱等量子平臺(tái)中測(cè)量復(fù)數(shù)能譜拓?fù)涮峁┝丝赡苄浴?/p>
圖1.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖
圖2.（a）復(fù)數(shù)能譜unlink拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；（b）拓?fù)淦接菇Y(jié)構(gòu)
圖3.（a, b）unknot拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；（c, d）Hopf link拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
段路明教授研究組基于單個(gè)171Yb+離子實(shí)現(xiàn)了雙能帶非厄米模型，其復(fù)數(shù)本征能量具有unlink、unknot或Hopflink拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該模型的厄米部分由微波脈沖驅(qū)動(dòng)基態(tài)超精細(xì)能級(jí)間的躍遷來(lái)實(shí)現(xiàn)（圖1a MW-1, MW-2；圖1b黑色雙箭頭），而非厄米部分則通過(guò)用共振激光使離子從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)（圖1a369-1, 369-2；圖1b藍(lán)色箭頭），激發(fā)態(tài)自發(fā)輻射導(dǎo)致布居流失實(shí)現(xiàn)了非厄米部分（圖1b波浪線(xiàn)）。為測(cè)量系統(tǒng)的復(fù)數(shù)能量，基于非厄米吸收光譜學(xué)方法，研究人員將離子制備在2D3/2能級(jí)（輔助能級(jí)）上，然后通過(guò)弱激光將其與系統(tǒng)能級(jí)相耦合（圖1a435；圖1b黃色箭頭），并在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間后，測(cè)量離子處于輔助能級(jí)的概率。通過(guò)擬合測(cè)量到離子的概率與失諧的曲線(xiàn)，可以提取出非厄米系統(tǒng)的復(fù)數(shù)能量。實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的復(fù)數(shù)能量呈現(xiàn)出unlink、unknot或Hopflink的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（圖2，圖3），且實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與理論值符合得很好。此方法可以直接推廣到其他量子模擬平臺(tái)，如冷原子、超導(dǎo)電路或固態(tài)自旋系統(tǒng)，因此本實(shí)驗(yàn)為探索非厄米量子系統(tǒng)中各種復(fù)數(shù)能量性質(zhì)開(kāi)辟了一條道路。
相關(guān)研究成果以“在離子阱模擬平臺(tái)中基于非厄米吸收光譜學(xué)測(cè)量復(fù)數(shù)能量拓?fù)洹保≒robing Complex-Energy Topology via Non-Hermitian Absorption Spectroscopy in a Trapped Ion Simulator）為題，近日發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上。
清華大學(xué)交叉信息研究院2020級(jí)博士研究生曹明明和李楷為論文共同第一作者，段路明教授、徐勇助理教授為論文通訊作者，其他作者包括華翊量子公司研究員趙文定、交叉信息研究院2018級(jí)博士生郭偉軒、助理研究員祁賓祥、副研究員常秀英、副研究員周子超。該研究得到科技創(chuàng)新2030—“量子通信與量子計(jì)算機(jī)”重大項(xiàng)目、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和清華大學(xué)篤實(shí)專(zhuān)項(xiàng)等的支持。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.163001
供稿：交叉信息研究院
題圖設(shè)計(jì)：金婭辰
編輯：李華山
審核：郭玲
