中國科學技術大學杜江峰院士領導的中科院微觀磁共振重點實驗室研究團隊建立了在量子系統(tǒng)中實現(xiàn)基于非厄米哈密頓量的量子調控普適理論，并通過對金剛石量子比特的高精度量子操控，首次在單自旋體系中觀測到宇稱時間對稱性破缺。該研究成果以“Observation of parity-time symmetry breaking in a single spin system”為題，于5月31日在線發(fā)表在國際權威期刊《Science》上[Science 364, 878 (2019)]。

實現(xiàn)對量子系統(tǒng)的調控是人類認識并利用微觀世界規(guī)律的必然訴求，也是諸多前沿科學領域的核心要素。自旋作為一種重要的量子調控研究體系，在世界各國的量子計劃中均被列為重點研究對象。開展單自旋量子調控研究有助于人們在更深層次上認識量子物理的基礎科學問題，將有力推動基于量子力學原理的量子信息科學、量子精密測量、量子導航等諸多前沿學科研究。杜江峰研究組長期在固態(tài)自旋量子調控及應用方面進行研究，系統(tǒng)性提出了固態(tài)自旋量子調控實驗方法新理念，并立足國內自主研制了一系列國際領先的自旋調控實驗裝備，在自制裝備上系統(tǒng)性地發(fā)展了單自旋量子調控技術，把微觀磁共振手段推廣應用于物理、生物、化學等前沿科研中。本文是他們繼實現(xiàn)世界最高精度的單自旋量子操控之后，將目標聚焦于如何在單自旋體系中實現(xiàn)非厄米哈密頓量的操控，以期實現(xiàn)新奇的物理學現(xiàn)象觀測。

眾所周知，量子體系的狀態(tài)演化由哈密頓量確定并服從薛定諤方程。在傳統(tǒng)量子力學框架中，實的能量本征值由哈密頓量滿足厄米性所保障。然而，Bender于1998年提出一類滿足宇稱時間對稱性的非厄米哈密頓量也可保證物理能量本征值為實數(shù)，可以描述包括開放系統(tǒng)在內更普遍的對象，從而拓展了量子力學的范疇。尤其值得指出的是，非厄米哈密頓量所描述的物理體系能夠展示出一些新奇的物理性質，因此激發(fā)了物理學界強烈的研究興趣。盡管宇稱時間對稱哈密頓量的概念源于對量子力學框架的拓展，但是通常的量子體系由厄米哈密頓量所描述，從而要在通常的量子體系中實現(xiàn)宇稱時間對稱哈密頓量的演化具有巨大挑戰(zhàn)。先前的理論指出引入耗散過程可實現(xiàn)宇稱時間對稱哈密頓量，然而耗散會不可避免地破壞量子相干性，非常不利于在量子系統(tǒng)中開展相關研究，因此之前絕大部分相關研究為基于經典物理體系開展模擬實驗。

杜江峰研究組提出了一種新理論方案，通過引入一個輔助比特在量子系統(tǒng)中研究由非厄米哈密頓量所支配的演化規(guī)律。該方法對非厄米哈密頓量本身沒有任何限制，包括任何維度及含時演化，均只需要消耗一個輔助比特的代價來實現(xiàn)。基于此方案，研究組將金剛石中的一個氮-空位缺陷中的電子自旋用作系統(tǒng)比特，一個核自旋作為輔助比特，實現(xiàn)了宇稱時間對稱哈密頓量，并觀測到宇稱時間對稱性破缺現(xiàn)象。實驗結果首次展示了單自旋量子態(tài)在宇稱時間對稱哈密頓量支配下的演化。通過調節(jié)哈密頓量的參數(shù)，可以清晰地觀測到從對稱性未破缺到對稱性破缺的相變過程（如圖所示）。實驗結果驗證了新方案的可行性，為進一步研究非厄米哈密頓量相關的新奇物理性質提供了堅實的基礎。

圖：實驗觀測到宇稱時間對稱性破缺。A、B分別為宇稱時間對稱哈密頓量HPT本征能量E的實部和虛部。哈密頓量在其參數(shù)0<r<1的區(qū)域，宇稱時間對稱性未破缺，能量本征值為實數(shù)；在r>1的區(qū)域，宇稱時間對稱性破缺，能量本征值為虛數(shù)；r=1處為相變點。（圖來源于《科學》文章正文）

該工作使得人們能夠用一種更普遍的方式來實現(xiàn)量子調控，從而開啟了實驗研究非厄米量子力學的新篇章。該成果適用于在各種量子體系實現(xiàn)任意非厄米哈密頓量，從而為開展廣泛的量子力學基礎問題研究，例如在非厄米哈密頓量下研究新拓撲不變量、量子熱力學、以及開放系統(tǒng)中的退相干和耗散等提供實現(xiàn)途徑。另外基于相變點可以提高量子測量的靈敏度，有望在基于金剛石色心的量子精密測量領域得到重要應用。

中國科學院微觀磁共振重點實驗室博士研究生伍旸和碩士研究生劉文權為該文并列第一作者，杜江峰院士和榮星研究員為論文的共同通訊作者。

此項研究得到了科技部、國家自然科學基金委、中國科學院和安徽省的資助。