罗乐教授团队首次利用超冷原子体系对宇称-时间对称非厄米量子体系实现量子模拟学术资讯

我校物理与天文学院罗乐教授研究团队在2月20日出版的Nature Communications上以“Observation of parity-time symmetry breaking transitions in a dissipative Floquet system of ultracold atoms（在耗散弗洛凯系统的超冷原子中观察到宇称-时间对称性破缺）”为题报道了世界上首个利用超冷原子体系对宇称-时间对称非厄米量子力学进行量子模拟的实验（Nature Communications, 10:855, 2019）。罗乐教授和理论合作者印第安纳普渡大学教授Yogesh N Joglekar是共同通讯作者，物理与天文学院特聘研究员李佳明是该论文的第一作者。

从狄拉克时代起，传统量子力学认为一个量子系统的哈密顿量是由希尔伯特空间上定义的厄米算符来描述，从而保证系统能量的确定性和体系几率守恒。近年，随着量子力学研究从封闭系统向开放系统的逐步深入，理论物理学家发展了宇称-时间对称的非厄米哈密顿量来描述一大类增益和耗散平衡的开放量子系统。在这类体系中，尽管哈密顿量是非厄米的，但是由于其满足宇称-时间联合反演对称，因而体系仍然可以有确定的能量和非发散的几率。过去曾经利用光子晶体、集成光波导等经典物理系统对这类宇称-时间对称的非厄米哈密顿量进行过模拟，发现了诸如拓扑能量转移、单方向光传播、反激光等奇异光学现象。而实现宇称-时间对称的非厄米量子系统，一直是实验物理学家孜孜以求的重要目标。这样的实验系统对基础物理和数学的发展有重要意义，可以通过调控这类系统的哈密顿量，以量子模拟的手段来研究李政道量子场模型、基本粒子标准模型的希格斯部分、真空的不稳定性，甚至还可从实验上实现一类宇称-时间对称哈密顿量来证明著名的数学难题黎曼猜想。

但是在量子系统中实现宇称-时间对称的非厄米体系的难度极大，需要对量子系统的耗散、相干演化、相互作用进行苛刻的控制。这样的量子系统非常难于寻找，其中利用激光冷却与囚禁技术制备的超冷费米原子简并气体是实验的候选体系之一。费米原子简并气体是激光冷却和囚禁技术、玻色原子的玻色爱因斯坦凝聚获得诺贝尔奖之后，冷原子领域第三个具有里程碑意义的工作。罗乐教授早年曾经和其博士导师杜克大学Fritz London讲座教授John Thomas一起对费米简并气体中实现凝聚和超流的实验工作做出过奠基性贡献。近十年来，罗乐教授领导的研究团队长期在国内外从事超冷费米原子实验研究工作，致力于利用超冷费米原子实现开放量子系统的量子模拟。目前的这个实验，利用周期性共振光脉冲序列导致的自旋依赖布居数耗散、射频场耦合下的自旋拉比振荡、以及Feshbach共振调制下的相互作用控制，在一个量子系统中同时实现了精密调控耗散、相干和相互作用三大要素，为实现宇称-时间对称的非厄米哈密顿量的量子模拟奠定了技术基础。

实验结果不仅精确地复现了在经典系统中已经观测到的静态哈密顿量的宇称-时间对称性破缺，还利用周期性耗散机制发现了在任意小耗散下的宇称-时间对称性破缺，观察到系统的能量可以在极其微小的耗散下发生不可逆的发散。不同于以往静态哈密顿量的单参数相变，周期性耗散驱动的宇称-时间对称性的相图在频率的参数空间实现延拓，在特定的频率区间，宇称-时间对称性对于耗散有极其敏感的响应。这个现象之前只有理论预言，而罗乐教授小组首次在绝对零度之上500纳开尔文的超冷费米气体中首次观测到。同时这项工作还发现了对称性破缺点附近的慢衰变模式、类比于多光子跃迁的高阶PT对称性破缺等新颖有趣的物理现象。