据观察者网6月4日从中国科学技术大学获悉，由中国科学技术大学杜江峰院士领导的中国科学院显微磁共振重点实验室研究团队，在量子系统中建立了基于非厄米哈密顿量的量子控制普适理论，并通过对金刚石量子位的高精度量子控制，首次观察到单自旋系统中宇称时间对称性破缺。这项名为“单自旋系统中宇称-时间对称性破缺的观测”的研究结果于5月31日在国际权威期刊《科学》上发表。
实现量子系统的调控是人类理解和利用微观世界规律的必然要求，也是许多前沿科学领域的核心要素。自旋作为量子调控的重要研究体系，已被列为世界各国量子方案的重点研究对象。对单自旋量子调控的研究将有助于人们更深层次地理解量子物理的基本科学问题，并将有力地推动基于量子力学原理的量子信息科学、量子精密测量、量子导航等诸多前沿学科的研究。杜江峰课题组长期从事固态自旋量子控制及其应用的研究，系统地提出了固态自旋量子控制实验方法的新思路，自主研发了一系列基于中国的国际领先的自旋控制实验设备，在自制设备上系统地开发了单自旋量子控制技术，并将微磁共振扩展到物理、生物、化学等前沿科学研究。本文重点研究在实现了世界上最高精度的单自旋量子操控之后，如何在单自旋系统中实现非埃尔米特哈密顿量的操控，以实现对新奇物理现象的观测。
众所周知，量子系统的状态演化由哈密顿量决定，服从薛定谔方程。在传统量子力学框架下，真实能量本征值由满足埃尔米特性质的哈密顿量来保证。但Bender在1998年提出，一类满足宇称时间对称性的非埃尔米特哈密顿量也能保证物理能量本征值为实数，并能描述包括开放系统在内的更常见的物体，从而拓展了量子力学的范围。特别值得指出的是，非埃尔米特哈密顿量所描述的物理系统能够表现出一些新颖的物理性质，从而引起了物理学界强烈的研究兴趣。虽然宇称时间对称哈密顿量的概念源于量子力学框架的扩展，但是一般的量子系统是用埃尔米特哈密顿量来描述的，所以在一般的量子系统中实现宇称时间对称哈密顿量的演化是一个很大的挑战。之前的理论指出，耗散过程的引入可以实现宇称时间对称哈密顿量，但是耗散必然会破坏量子相干性，这对量子系统中的相关研究非常不利。因此，以往的相关研究大多是基于经典物理系统进行模拟实验。
杜江峰研究组提出了一种新理论方案，通过引入一个辅助比特在量子系统中研究由非厄米哈密顿量所支配的演化规律。该方法对非厄米哈密顿量本身没有任何限制，包括任何维度及含时演化，均只需要消耗一个辅助比特的代价来实现。基于此方案，研究组将金刚石中的一个氮-空位缺陷中的电子自旋用作系统比特，一个核自旋作为辅助比特，实现了宇称时间对称哈密顿量，并观测到宇称时间对称性破缺现象。实验结果首次展示了单自旋量子态在宇称时间对称哈密顿量支配下的演化。通过调节哈密顿量的参数，可以清晰地观测到从对称性未破缺到对称性破缺的相变过程。实验结果验证了新方案的可行性，为进一步研究非厄米哈密顿量相关的新奇物理性质提供了坚实的基础。 图：实验观测到宇称时间对称性破缺。A、B分别为宇称时间对称哈密顿量HPT本征能量E的实部和虚部。哈密顿量在其参数0
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