自旋的“双人舞”：观测到宇称时间对称性破缺｜Science述评学术资讯

来源：ScienceAAAS

评述论文：Observation of parity-time symmetry breaking in a single-spin system（Science 31 May 2019: Vol 364, Issue 6443）

量子力学的建立是20世纪物理学的革命性突破之一。量子力学的发现彻底改变了人类对微观世界的认识，揭示了原子分子的内部运动规律。基于对物质运动规律的深刻理解和实验手段的巨大进步，人类已从对微观量子世界的观察、解释阶段逐步进入到主动调控时代。中国科学技术大学杜江峰院士领导的中科院微观磁共振重点实验室的荣星等人通过对金刚石量子比特的高精度量子操控，首次在单自旋体系中观测到宇称时间对称性破缺。

根据量子力学，量子体系状态的演化由哈密顿量决定。而哈密顿量的厄米性决定了体系的能量本征值为实数。然而，Bender于1998年提出一类满足宇称时间对称性的非厄米哈密顿量亦可保证能量本征值为实数。这一理论的提出极大的拓展了量子力学的范畴，使其可以刻画包括开放系统在内更普遍的对象的演化规律。但是通常的量子体系受厄米哈密顿量所支配，要在其中实现宇称时间对称哈密顿量的演化具有巨大挑战。

在这项研究工作中，研究人员们通过引入了一个辅助比特，在量子系统中实现了非厄米哈密顿量支配下的演化。更为重要的是，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，研究人员们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。通过课题组前期发展的精确自旋量子调控，实现两个自旋的协同调控，好比指挥自旋跳起了“双人舞”，使得电子自旋能够完成“单人舞”通常没法实现的功能，譬如实现了宇称时间对称哈密顿量下的演化。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。并且通过调节哈密顿量的参数，可以清晰地观测到对称性从未破缺到破缺的相变过程（如图所示）。

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。哈密顿量在其标志性参数0<r<1的区域，宇称时间对称性未破缺，能量本征值为实数；在r>1的区域，宇称时间对称性破缺，能量本征值为虚数；r=1处为相变点。

这项工作使得量子调控从基于厄米哈密顿量走向非厄米情形，开启了实验研究非厄米量子力学的新篇章。研究人员十分期待这项成果应用于在各种量子体系并在量子力学基础问题研究中取得新的突破。

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