更進(jìn)一步！中國(guó)科大實(shí)現(xiàn)PT對(duì)稱增強(qiáng)型量子傳感器

1月6日消息（余予）目前，PT對(duì)稱動(dòng)力學(xué)已在多種經(jīng)典系統(tǒng)中被實(shí)現(xiàn)并展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用價(jià)值。而在量子領(lǐng)域，受限于量子系統(tǒng)的操控難度，PT對(duì)稱動(dòng)力學(xué)的多種量子物理性質(zhì)仍缺乏深入的實(shí)驗(yàn)研究和應(yīng)用。

那么，“能否在量子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)這些現(xiàn)象和應(yīng)用，尤其是能否利用PT對(duì)稱來(lái)增強(qiáng)量子傳感器的靈敏度？”

經(jīng)理論研究表明這是可行的，難點(diǎn)在于構(gòu)建破缺的量子PT對(duì)稱系統(tǒng)。

中國(guó)科大研究團(tuán)隊(duì)近日首次實(shí)現(xiàn)PT對(duì)稱增強(qiáng)型量子傳感器，其靈敏度比傳統(tǒng)量子傳感器提高了8.86倍。這一成果向非厄米量子傳感器技術(shù)邁進(jìn)了一大步，也為將有趣的經(jīng)典PT對(duì)稱現(xiàn)象及其應(yīng)用引入量子領(lǐng)域提供了范本。

據(jù)了解，宇稱-時(shí)間（PT）對(duì)稱理論由美國(guó)物理學(xué)家Bender等人于2002年為推廣量子力學(xué)提出，并首先在經(jīng)典物理系統(tǒng)中取得了巨大的成功；PT對(duì)稱系統(tǒng)則是一類由滿足宇稱時(shí)間反演不變的動(dòng)力學(xué)哈密頓量所控制的物理系統(tǒng)，并且具有多種新奇的非厄米物理特性，在國(guó)際上受到廣泛的研究關(guān)注。

在實(shí)驗(yàn)中，郭光燦院士團(tuán)隊(duì)李傳鋒、唐建順研究組利用量子開(kāi)放系統(tǒng)和非厄米量子邏輯門(mén)構(gòu)造了一個(gè)弱測(cè)量輔助的量子PT對(duì)稱系統(tǒng)，利用弱測(cè)量的弱值直接測(cè)量包括實(shí)部和虛部在內(nèi)的系統(tǒng)的全部能譜，據(jù)介紹，該系統(tǒng)可以有效地從非對(duì)稱破缺區(qū)域過(guò)渡到對(duì)稱破缺區(qū)域。基于這一系統(tǒng)，研究組首次實(shí)現(xiàn)了PT對(duì)稱增強(qiáng)型量子傳感器，并研究了與提高靈敏度的最佳條件相關(guān)的各種特性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，將工作點(diǎn)設(shè)置在PT對(duì)稱系統(tǒng)的破缺奇異點(diǎn)，則這種量子傳感器的靈敏度相較于傳統(tǒng)的量子傳感器提高了8.86倍；其次，通過(guò)分別檢測(cè)能量劈裂的實(shí)部和虛部，還可以得到擾動(dòng)方向的信息。

（a）宇稱-時(shí)間增強(qiáng)型量子傳感器工作原理圖；（b）實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖（中國(guó)科大新聞網(wǎng)）

這一研究成果于2020年12月10日在國(guó)際知名期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表。審稿人稱，“這是一個(gè)非常有趣且有意義的實(shí)驗(yàn)，對(duì)非厄米物理和宇稱-時(shí)間對(duì)稱性領(lǐng)域有著非常大的影響”；“這是一個(gè)重大的進(jìn)步，因?yàn)檫@個(gè)工作證實(shí)了一個(gè)運(yùn)行在奇異點(diǎn)的真正的量子傳感器是可以實(shí)現(xiàn)的。這肯定具有廣泛興趣”。

文章的第一作者是中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的俞上博士和博士研究生孟雨。該工作得到了科技部、國(guó)家基金委、中國(guó)科學(xué)院、安徽省、博士后科學(xué)基金的資助。

論文鏈接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.240506

附：PT對(duì)稱系統(tǒng)與常見(jiàn)的厄米系統(tǒng)相比有其自有特點(diǎn)：

·PT對(duì)稱系統(tǒng)同樣具有實(shí)數(shù)本征能譜，其中能夠存在穩(wěn)定的本征動(dòng)力學(xué)模式；

·PT對(duì)稱系統(tǒng)中的本征動(dòng)力學(xué)模式具有特殊的非正交性質(zhì)，且系統(tǒng)能帶在奇異點(diǎn)（exceptional point）附近具有獨(dú)特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

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