更進(jìn)一步！中國科大實現(xiàn)PT對稱增強型量子傳感器

1月6日消息（余予）目前，PT對稱動力學(xué)已在多種經(jīng)典系統(tǒng)中被實現(xiàn)并展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用價值。而在量子領(lǐng)域，受限于量子系統(tǒng)的操控難度，PT對稱動力學(xué)的多種量子物理性質(zhì)仍缺乏深入的實驗研究和應(yīng)用。

那么，“能否在量子系統(tǒng)中實現(xiàn)這些現(xiàn)象和應(yīng)用，尤其是能否利用PT對稱來增強量子傳感器的靈敏度？”

經(jīng)理論研究表明這是可行的，難點在于構(gòu)建破缺的量子PT對稱系統(tǒng)。

中國科大研究團隊近日首次實現(xiàn)PT對稱增強型量子傳感器，其靈敏度比傳統(tǒng)量子傳感器提高了8.86倍。這一成果向非厄米量子傳感器技術(shù)邁進(jìn)了一大步，也為將有趣的經(jīng)典PT對稱現(xiàn)象及其應(yīng)用引入量子領(lǐng)域提供了范本。

據(jù)了解，宇稱-時間（PT）對稱理論由美國物理學(xué)家Bender等人于2002年為推廣量子力學(xué)提出，并首先在經(jīng)典物理系統(tǒng)中取得了巨大的成功；PT對稱系統(tǒng)則是一類由滿足宇稱時間反演不變的動力學(xué)哈密頓量所控制的物理系統(tǒng)，并且具有多種新奇的非厄米物理特性，在國際上受到廣泛的研究關(guān)注。

在實驗中，郭光燦院士團隊李傳鋒、唐建順研究組利用量子開放系統(tǒng)和非厄米量子邏輯門構(gòu)造了一個弱測量輔助的量子PT對稱系統(tǒng)，利用弱測量的弱值直接測量包括實部和虛部在內(nèi)的系統(tǒng)的全部能譜，據(jù)介紹，該系統(tǒng)可以有效地從非對稱破缺區(qū)域過渡到對稱破缺區(qū)域?；谶@一系統(tǒng)，研究組首次實現(xiàn)了PT對稱增強型量子傳感器，并研究了與提高靈敏度的最佳條件相關(guān)的各種特性。

實驗結(jié)果表明，將工作點設(shè)置在PT對稱系統(tǒng)的破缺奇異點，則這種量子傳感器的靈敏度相較于傳統(tǒng)的量子傳感器提高了8.86倍；其次，通過分別檢測能量劈裂的實部和虛部，還可以得到擾動方向的信息。

（a）宇稱-時間增強型量子傳感器工作原理圖；（b）實驗結(jié)構(gòu)圖（中國科大新聞網(wǎng)）

這一研究成果于2020年12月10日在國際知名期刊《物理評論快報》上發(fā)表。審稿人稱，“這是一個非常有趣且有意義的實驗，對非厄米物理和宇稱-時間對稱性領(lǐng)域有著非常大的影響”；“這是一個重大的進(jìn)步，因為這個工作證實了一個運行在奇異點的真正的量子傳感器是可以實現(xiàn)的。這肯定具有廣泛興趣”。

文章的第一作者是中科院量子信息重點實驗室的俞上博士和博士研究生孟雨。該工作得到了科技部、國家基金委、中國科學(xué)院、安徽省、博士后科學(xué)基金的資助。

論文鏈接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.240506

附：PT對稱系統(tǒng)與常見的厄米系統(tǒng)相比有其自有特點：

·PT對稱系統(tǒng)同樣具有實數(shù)本征能譜，其中能夠存在穩(wěn)定的本征動力學(xué)模式；

·PT對稱系統(tǒng)中的本征動力學(xué)模式具有特殊的非正交性質(zhì)，且系統(tǒng)能帶在奇異點（exceptional point）附近具有獨特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

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