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薛鹏团队在量子行走领域取得重要进展

 
供稿 | 东南大学
责编 | 鞠强(《知识分子》特约编辑)
 
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近年来,量子物理有三个重要的研究方向引起学界的广泛关注,即宇称-时间对称、量子行走和拓扑保护边界态。其中,宇称-时间对称性是对传统量子力学的有力扩展,量子行走提供了一个普适的量子信息处理平台,而发现和认识拓扑保护边界态则大大地拓宽了人们对物态的认识。
 
7月31日,东南大学物理学院薛鹏教授领导的研究团队在《自然·物理》(Nature Physics)上在线发表题为Observation of topological edge states in parity–time-symmetric quantum walks的论文,报道了该团队首次在开放系统中实验实现了宇称-时间对称的量子行走并观测到新型一维拓扑保护边界态。这项研究涉及上述三个研究方向中最本质和关键的问题,利用量子光源和线性光学体系首次在开放系统中实现了具有宇称-时间对称性的量子行走,通过对量子行走的参数的控制,观测到新型一维拓扑保护边界态,并证明其对于扰动和无序失调(disorder)的鲁棒性,为基于量子行走平台实现量子计算提供了新的依据。
 
早在2011年10月,薛鹏教授就开始关注宇称-时间对称的量子行走,而对于量子行走中的拓扑现象的兴趣更是要追溯到2010年10月。2013年底薛鹏教授团队开始筹建实验室,也一直将此当成着力关注的研究方向之一。
 
薛鹏教授团队首先设计了开放系统中loss-no loss量子行走模型,以交替的损耗-不损耗的方式取代难以实现的损耗-增益,并证明其满足宇称-时间对称性。他们利用单光子在线性光学体系中实现了宇称-时间对称的量子行走,分别演示了这种对称性保持、破缺以及临界点的量子特性,首次实现了真正意义上的宇称-时间对称的量子系统的动力学演化过程。
 
接下来,薛鹏教授团队进一步研究开放系统的量子行走的特殊性质和应用。封闭系统中量子行走的演化是幺正的,并且具有particle-hole、时间反演和手性三种对称性,这为研究Floquet拓扑相提供了一个理想的平台。开放系统中,时间反演对称和手性对称均破缺,是否存在Floquet拓扑相一直是一个悬而未决的问题。薛鹏教授团队研究发现,宇称-时间对称的量子行走也存在三种对称性,即宇称-时间、宇称-手性和particle-hole对称。在此驱动下,非幺正的量子行走同样存在Floquet拓扑相,而其bulk拓扑性质可由一对拓扑不变量来表征。
 
在解决这一理论难题后,该团队又要面对实验上如何全面且清楚地表示拓扑性质及新的物态这一挑战。经过反复的论证,该团队通过控制量子行走的参数,发现在具有不同bulk拓扑性质的区域的边界存在源于Floquet拓扑相的边界态,同时可以通过宇称-时间对称的量子行走的动力学演化结果观测到拓扑边界态。由于开放系统的特性,动力学演化过程展现出与幺正量子行走截然不同的结果。例如,几率分布呈现局域化,而在参数空间边界的位置的有效几率随演化时间增长而增长。
 
薛鹏教授团队在实验中还观测到两类不同的拓扑边界态的存在,其对量子行走的动力学演化的作用随时间交替呈现,而这则是Floquet拓扑相的特征。与此同时,通过分别引入宇称-时间对称保持的扰动和宇称-时间对称破缺的无序失调,实验证实了拓扑边界态对这两种情况均表现出很强的鲁棒性。这是因为无序失调虽然导致宇称-时间对称破缺,但是依然存在一种更为普适的对称性(即pseudo-unitarity),对拓扑边界态起到保护作用。这也是迄今首次实验证实pseudo-unitarity这种对称性的存在。
 
这项研究是由薛鹏教授领导的国际合作,论文的理论合作者包括中国科学技术大学的易为教授、日本北海道大学的Hideaki Obuse教授和加拿大卡尔加里大学的Barry C. Sanders教授。薛鹏教授团队继利用量子行走实现量子通信后,在量子模拟及量子计量的实验研究方面取得的这一重大进展,有助于进一步理解开放系统的拓扑性质,同时为探索拓扑量子计算开辟了新途径。未来研究人员有望基于对宇称-时间对称的量子行走中新奇物理的研究,开发新型的具有量子特性的光调控器件。
 
参考文章
 
Observation of topological edge states in parity–time-symmetric quantum walks, Nature Physics (2017) doi:10.1038/nphys4204
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