打破限制,中国科大首次实现 PT 对称增强型量子传感器

2021/1/6 15:53:09 来源:C114中国通信网 作者:余予 责编:骑士

目前,PT 对称动力学已在多种经典系统中被实现并展现出广泛的应用价值。而在量子领域,受限于量子系统的操控难度,PT 对称动力学的多种量子物理性质仍缺乏深入的实验研究和应用。

那么,“能否在量子系统中实现这些现象和应用,尤其是能否利用 PT 对称来增强量子传感器的灵敏度?”

经理论研究表明这是可行的,难点在于构建破缺的量子 PT 对称系统。

中国科大研究团队近日首次实现 PT 对称增强型量子传感器,其灵敏度比传统量子传感器提高了 8.86 倍。这一成果向非厄米量子传感器技术迈进了一大步,也为将有趣的经典 PT 对称现象及其应用引入量子领域提供了范本。

据了解,宇称 - 时间(PT)对称理论由美国物理学家 Bender 等人于 2002 年为推广量子力学提出,并首先在经典物理系统中取得了巨大的成功;PT 对称系统则是一类由满足宇称时间反演不变的动力学哈密顿量所控制的物理系统,并且具有多种新奇的非厄米物理特性,在国际上受到广泛的研究关注。

在实验中,郭光灿院士团队李传锋、唐建顺研究组利用量子开放系统和非厄米量子逻辑门构造了一个弱测量辅助的量子 PT 对称系统,利用弱测量的弱值直接测量包括实部和虚部在内的系统的全部能谱,据介绍,该系统可以有效地从非对称破缺区域过渡到对称破缺区域。基于这一系统,研究组首次实现了 PT 对称增强型量子传感器,并研究了与提高灵敏度的最佳条件相关的各种特性。

实验结果表明,将工作点设置在 PT 对称系统的破缺奇异点,则这种量子传感器的灵敏度相较于传统的量子传感器提高了 8.86 倍;其次,通过分别检测能量劈裂的实部和虚部,还可以得到扰动方向的信息。

(a)宇称 - 时间增强型量子传感器工作原理图;(b)实验结构图(中国科大新闻网)

这一研究成果于 2020 年 12 月 10 日在国际知名期刊《物理评论快报》上发表。审稿人称,“这是一个非常有趣且有意义的实验,对非厄米物理和宇称 - 时间对称性领域有着非常大的影响”;“这是一个重大的进步,因为这个工作证实了一个运行在奇异点的真正的量子传感器是可以实现的。这肯定具有广泛兴趣”。

文章的第一作者是中科院量子信息重点实验室的俞上博士和博士研究生孟雨。该工作得到了科技部、国家基金委、中国科学院、安徽省、博士后科学基金的资助。

论文链接:

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

附:PT 对称系统与常见的厄米系统相比有其自有特点:

·PT 对称系统同样具有实数本征能谱,其中能够存在稳定的本征动力学模式;

·PT 对称系统中的本征动力学模式具有特殊的非正交性质,且系统能带在奇异点(exceptional point)附近具有独特的拓扑结构。

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关键词:量子传感器量子

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