中山大學物理與天文學院羅樂教授研究團隊在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（在耗散弗洛凱系統的超冷原子中觀察到宇稱-時間對稱性破缺）”為題報道了世界上首個利用超冷原子體系對宇稱-時間對稱非厄米量子力學進行量子模擬的實驗（Nature Communications, 10:855, 2019）。羅樂教授和理論合作者印第安納普渡大學教授Yogesh N Joglekar是共同通訊作者，物理與天文學院特聘研究員李佳明是該論文的第一作者。
從狄拉克時代起，傳統量子力學認為一個量子系統的哈密頓量是由希爾伯特空間上定義的厄米算符來描述，從而保證系統能量的確定性和體系幾率守恆。近年，隨著量子力學研究從封閉系統向開放系統的逐步深入，理論物理學家發展了宇稱-時間對稱的非厄米哈密頓量來描述一大類增益和耗散平衡的開放量子系統。在這類體系中，儘管哈密頓量是非厄米的，但是由於其滿足宇稱-時間聯合反演對稱，因而體系仍然可以有確定的能量和非發散的幾率。過去曾經利用光子晶體、集成光波導等經典物理系統對這類宇稱-時間對稱的非厄米哈密頓量進行過模擬，發現了諸如拓撲能量轉移、單方向光傳播、反激光等奇異光學現象。而實現宇稱-時間對稱的非厄米量子系統，一直是實驗物理學家孜孜以求的重要目標。這樣的實驗系統對基礎物理和數學的發展有重要意義，可以通過調控這類系統的哈密頓量，以量子模擬的手段來研究李政道量子場模型、基本粒子標準模型的希格斯部分、真空的不穩定性，甚至還可從實驗上實現一類宇稱-時間對稱哈密頓量來證明著名的數學難題黎曼猜想。
但是在量子系統中實現宇稱-時間對稱的非厄米體系的難度極大，需要對量子系統的耗散、相干演化、相互作用進行苛刻的控制。這樣的量子系統非常難於尋找，其中利用激光冷卻與囚禁技術製備的超冷費米原子簡併氣體是實驗的候選體系之一。費米原子簡併氣體是激光冷卻和囚禁技術、玻色原子的玻色愛因斯坦凝聚獲得諾貝爾獎之後，冷原子領域第三個具有里程碑意義的工作。羅樂教授早年曾經和其博士導師杜克大學Fritz London講座教授John Thomas一起對費米簡併氣體中實現凝聚和超流的實驗工作做出過奠基性貢獻。近十年來，羅樂教授領導的研究團隊長期在國內外從事超冷費米原子實驗研究工作，致力於利用超冷費米原子實現開放量子系統的量子模擬。目前的這個實驗，利用週期性共振光脈衝序列導致的自旋依賴布居數耗散、射頻場耦合下的自旋拉比振盪、以及Feshbach共振調製下的相互作用控制，在一個量子系統中同時實現了精密調控耗散、相干和相互作用三大要素，為實現宇稱-時間對稱的非厄米哈密頓量的量子模擬奠定了技術基礎。
實驗結果不僅精確地復現了在經典系統中已經觀測到的靜態哈密頓量的宇稱-時間對稱性破缺，還利用週期性耗散機制發現了在任意小耗散下的宇稱-時間對稱性破缺，觀察到系統的能量可以在極其微小的耗散下發生不可逆的發散。不同於以往靜態哈密頓量的單參數相變，週期性耗散驅動的宇稱-時間對稱性的相圖在頻率的參數空間實現延拓，在特定的頻率區間，宇稱-時間對稱性對於耗散有極其敏感的響應。這個現象之前只有理論預言，而羅樂教授小組首次在絕對零度之上500納開爾文的超冷費米氣體中首次觀測到。同時這項工作還發現了對稱性破缺點附近的慢衰變模式、類比於多光子躍遷的高階PT對稱性破缺等新穎有趣的物理現象。
目前，羅樂教授研究團隊正基於非厄米量子體系研究宇稱-時間對稱哈密頓量的拓撲量子態轉換、耗散下的量子相干態保持、以及高階奇異點附件的超靈敏能譜響應。這些研究將為基於開放量子系統的量子計算和量子精密測量開拓新的前沿。
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-019-08596-1
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