原標(biāo)題：世界首次！中國(guó)科學(xué)家觀察到宇稱(chēng)時(shí)間對(duì)稱(chēng)

（觀察者網(wǎng)訊）據(jù)觀察者網(wǎng)6月4日從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉,，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)杜江峰院士領(lǐng)導(dǎo)的中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)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(guò)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(chēng)時(shí)間對(duì)稱(chēng)性破缺,。該研究成果以“Observation of parity-time symmetry breaking in a single spin system”為題,，于5月31日在線發(fā)表在國(guó)際權(quán)威期刊《Science》上[Science 364,， 878 （2019）]。

實(shí)現(xiàn)對(duì)量子系統(tǒng)的調(diào)控是人類(lèi)認(rèn)識(shí)并利用微觀世界規(guī)律的必然訴求,，也是諸多前沿科學(xué)領(lǐng)域的核心要素,。

自旋作為一種重要的量子調(diào)控研究體系，在世界各國(guó)的量子計(jì)劃中均被列為重點(diǎn)研究對(duì)象,。

開(kāi)展單自旋量子調(diào)控研究有助于人們?cè)诟顚哟紊险J(rèn)識(shí)量子物理的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題,，將有力推動(dòng)基于量子力學(xué)原理的量子信息科學(xué)、量子精密測(cè)量,、量子導(dǎo)航等諸多前沿學(xué)科研究,。

杜江峰研究組長(zhǎng)期在固態(tài)自旋量子調(diào)控及應(yīng)用方面進(jìn)行研究，系統(tǒng)性提出了固態(tài)自旋量子調(diào)控實(shí)驗(yàn)方法新理念,，并立足國(guó)內(nèi)自主研制了一系列國(guó)際領(lǐng)先的自旋調(diào)控實(shí)驗(yàn)裝備,，在自制裝備上系統(tǒng)性地發(fā)展了單自旋量子調(diào)控技術(shù)，把微觀磁共振手段推廣應(yīng)用于物理,、生物,、化學(xué)等前沿科研中。

本文是他們繼實(shí)現(xiàn)世界最高精度的單自旋量子操控之后,，將目標(biāo)聚焦于如何在單自旋體系中實(shí)現(xiàn)非厄米哈密頓量的操控,，以期實(shí)現(xiàn)新奇的物理學(xué)現(xiàn)象觀測(cè)。

眾所周知,，量子體系的狀態(tài)演化由哈密頓量確定并服從薛定諤方程,。在傳統(tǒng)量子力學(xué)框架中，實(shí)的能量本征值由哈密頓量滿足厄米性所保障,。

然而，Bender于1998年提出一類(lèi)滿足宇稱(chēng)時(shí)間對(duì)稱(chēng)性的非厄米哈密頓量也可保證物理能量本征值為實(shí)數(shù),，可以描述包括開(kāi)放系統(tǒng)在內(nèi)更普遍的對(duì)象,，從而拓展了量子力學(xué)的范疇。

尤其值得指出的是,，非厄米哈密頓量所描述的物理體系能夠展示出一些新奇的物理性質(zhì)，因此激發(fā)了物理學(xué)界強(qiáng)烈的研究興趣,。

盡管宇稱(chēng)時(shí)間對(duì)稱(chēng)哈密頓量的概念源于對(duì)量子力學(xué)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(shí)現(xiàn)宇稱(chēng)時(shí)間對(duì)稱(chēng)哈密頓量的演化具有巨大挑戰(zhàn)。

先前的理論指出引入耗散過(guò)程可實(shí)現(xiàn)宇稱(chēng)時(shí)間對(duì)稱(chēng)哈密頓量，然而耗散會(huì)不可避免地破壞量子相干性,，非常不利于在量子系統(tǒng)中開(kāi)展相關(guān)研究，因此之前絕大部分相關(guān)研究為基于經(jīng)典物理體系開(kāi)展模擬實(shí)驗(yàn),。

杜江峰研究組提出了一種新理論方案,，通過(guò)引入一個(gè)輔助比特在量子系統(tǒng)中研究由非厄米哈密頓量所支配的演化規(guī)律,。

該方法對(duì)非厄米哈密頓量本身沒(méi)有任何限制，包括任何維度及含時(shí)演化,，均只需要消耗一個(gè)輔助比特的代價(jià)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

基于此方案,，研究組將金剛石中的一個(gè)氮-空位缺陷中的電子自旋用作系統(tǒng)比特，一個(gè)核自旋作為輔助比特,，實(shí)現(xiàn)了宇稱(chēng)時(shí)間對(duì)稱(chēng)哈密頓量,，并觀測(cè)到宇稱(chēng)時(shí)間對(duì)稱(chēng)性破缺現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果首次展示了單自旋量子態(tài)在宇稱(chēng)時(shí)間對(duì)稱(chēng)哈密頓量支配下的演化,。通過(guò)調(diào)節(jié)哈密頓量的參數(shù)，可以清晰地觀測(cè)到從對(duì)稱(chēng)性未破缺到對(duì)稱(chēng)性破缺的相變過(guò)程（如圖所示）,。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了新方案的可行性，為進(jìn)一步研究非厄米哈密頓量相關(guān)的新奇物理性質(zhì)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),。

中國(guó)科學(xué)家首次觀察宇稱(chēng)時(shí)間 演化具有巨大挑戰(zhàn)

圖：實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到宇稱(chēng)時(shí)間對(duì)稱(chēng)性破缺,。A、B分別為宇稱(chēng)時(shí)間對(duì)稱(chēng)哈密頓量HPT本征能量E的實(shí)部和虛部,。哈密頓量在其參數(shù)0<r<1的區(qū)域,，宇稱(chēng)時(shí)間對(duì)稱(chēng)性未破缺,，能量本征值為實(shí)數(shù),；在r>1的區(qū)域,，宇稱(chēng)時(shí)間對(duì)稱(chēng)性破缺，能量本征值為虛數(shù),；r=1處為相變點(diǎn)。（圖來(lái)源于《科學(xué)》文章正文）

該工作使得人們能夠用一種更普遍的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)量子調(diào)控,，從而開(kāi)啟了實(shí)驗(yàn)研究非厄米量子力學(xué)的新篇章,。

該成果適用于在各種量子體系實(shí)現(xiàn)任意非厄米哈密頓量，從而為開(kāi)展廣泛的量子力學(xué)基礎(chǔ)問(wèn)題研究,，例如在非厄米哈密頓量下研究新拓?fù)洳蛔兞?、量子熱力學(xué)、以及開(kāi)放系統(tǒng)中的退相干和耗散等提供實(shí)現(xiàn)途徑,。

另外基于相變點(diǎn)可以提高量子測(cè)量的靈敏度，有望在基于金剛石色心的量子精密測(cè)量領(lǐng)域得到重要應(yīng)用,。

中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生伍旸和碩士研究生劉文權(quán)為該文并列第一作者,，杜江峰院士和榮星研究員為論文的共同通訊作者,。

此項(xiàng)研究得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委,、中國(guó)科學(xué)院和安徽省的資助,。