背景介紹
實現對量子系統的調控是人類認識並利用微觀世界規律的必然訴求，也是諸多前沿科學領域的覈心要素。自旋作為一種重要的量子調控研究體系，在世界各國的量子計畫中均被列為重點研究對象。開展單自旋量子調控研究有助於人們在更深層次上認識量子物理的基礎科學問題，將有力推動基於量子力學原理的量子資訊科學、量子精密量測、量子導航等諸多前沿學科研究。杜江峰研究組長期在固態自旋量子調控及應用方面進行研究，系統性提出了固態自旋量子調控實驗方法新理念，並立足國內自主研製了一系列國際領先的自旋調控實驗裝備，並在自製裝備上系統性地發展了單自旋量子調控科技，把微觀磁共振手段推廣應用於物理、生物、化學等前沿科研中。本文是他們繼實現世界最高精度的單自旋量子操控之後，將目標聚焦於如何在單自旋體系中實現非厄米哈密頓量的操控，以期實現新奇的物理學現象觀測。
眾所周知，量子體系的狀態演化由哈密頓量確定並服從薛定諤方程。在傳統量子力學框架中，實的能量本征值由哈密頓量滿足厄米性所保障。然而，Bender於1998年提出一類滿足宇稱時間對稱性的非厄米哈密頓量亦可保證物理能量本征值為實數，可以描述包括開放系統在內更普遍的對象，從而拓展了量子力學的範疇。尤其值得指出的是，非厄米哈密頓量所描述的物理體系能够展示出一些新奇的物理性質，囙此激發了物理學界强烈的研究興趣。儘管宇稱時間對稱哈密頓量的概念源於對量子力學框架的拓展，但是通常的量子體系由厄米哈密頓量所描述，從而要在通常的量子體系中實現宇稱時間對稱哈密頓量的演化具有巨大挑戰。先前的理論指出引入耗散過程可實現宇稱時間對稱哈密頓量，然而耗散會不可避免地破壞量子相干性，非常不利於在量子系統中開展相關研究，囙此之前絕大部分相關研究為基於經典物理體系開展模擬實驗。
實驗重大突破
中國科學技術大學杜江峰院士領導的中科院微觀磁共振重點實驗室研究團隊建立了在量子系統中實現基於非厄米哈密頓量的量子調控普適理論，並通過對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到宇稱時間對稱性破缺。該研究成果以“Observation of parity-timesymmetry breaking in a single spin system”為題，於2019年5月31日線上發表在國際權威期刊《Science》上。
杜江峰研究組提出了一種新理論方案，其通過引入一個輔助比特在量子系統中研究由非厄米哈密頓量所支配的演化規律。該方法對非厄米哈密頓量本身沒有任何限制，包括任何維度及含時演化，均只需要消耗一個輔助比特的代價來實現。基於此方案，研究組將金剛石中的一個氮-空位缺陷中的電子自旋用作系統比特，一個核自旋作為輔助比特，實現了宇稱時間對稱哈密頓量，並觀測到宇稱時間對稱性破缺現象。實驗結果首次展示了單自旋量子態在宇稱時間對稱哈密頓量支配下的演化。通過調節哈密頓量的參數，可以清晰的觀測到從對稱性未破缺到對稱性破缺的相變過程（如圖所示）。實驗結果驗證了新方案的可行性，為進一步研究非厄米哈密頓量相關的新奇物理性質提供了堅實的基礎。
圖：實驗觀測到宇稱時間對稱性破缺。A，B分別為宇稱時間對稱哈密頓量HPT本征能量E的實部和虛部。哈密頓量在其參數0<r<1的區域，宇稱時間對稱性未破缺，能量本征值為實數；在r>1的區域，宇稱時間對稱性破缺，能量本征值為虛數；r=1處為相變點。
（圖來源於《科學》文章正文）
這項工作使得人們能够用一種更普遍的管道來實現量子調控，從而開啟了實驗研究非厄米量子力學的新篇章。這項成果適用於在各種量子體系實現任意非厄米哈密頓量，從而為開展廣泛的量子力學基礎問題研究，例如在非厄米哈密頓量下研究新拓撲不變數、量子熱力學、以及開放系統中的退相干和耗散等提供實現途徑。另外基於相變點可以提高量子量測的靈敏度，有望在基於金剛石色心的量子精密量測領域得到重要應用。
中國科學院微觀磁共振重點實驗室博士研究生伍暘和碩士研究生劉文權為該文並列第一作者，杜江峰院士和榮星研究員為論文的共同通訊作者。
專家點評
任意宇稱-時間對稱哈密頓量在厄米系統中的實現
蘇州大學張成傑副教授
量子力學中算符的厄米性是保證該算符有全部實本征值的充分條件。囙此，厄米性被認為是量子力學的基本公設之一。然而，後來人們發現厄米性並不是必要條件。比如，Bender教授等人就發現某些宇稱-時間對稱的非厄米算符在其對稱性未破缺區域同樣有全部實本征值的性質。但是，量子系統中宇稱-時間對稱的實驗研究現時非常少，其具體實驗實現面臨著巨大的挑戰。對於任意宇稱-時間對稱哈密頓量，研究人員是否總能在更大空間中找到另一個厄米哈密頓量與之對應，這是解决這一科學難題的關鍵。這種普適性的方法最近被中國科學技術大學杜江峰院士領導的中科院微觀磁共振重點實驗室課題組所發現。並且該課題組通過引入了一個輔助比特，在氮-空位缺陷系統中實驗實現了單比特子系統在非厄米哈密頓量支配下的演化。以前，有兩種理論方法能實現將宇稱-時間對稱哈密頓量擴展成更大系統中的厄米哈密頓量，然而這些方法只適用於宇稱-時間對稱性未破缺的情况。現在這一新的普適性方法首次展示了通過調節哈密頓量的參數，可以清晰地觀測到對稱性從未破缺到破缺的相變過程。這項工作開啟了實驗研究非厄米量子力學的新篇章，並推動其成果應用於各種量子力學基礎問題研究。