两量子比特系统中相互作用对高阶奇异点的影响

近年来,与环境耦合的非厄米开放系统成为人们研究的热点.非厄米体系中的奇异点会发生本征值和本征态的聚合,是区分厄米体系的重要性质之一.在具有宇称-时间反演对称性的体系中,奇异点通常伴随着对称性的自发破缺,存在很多值得探究的新奇物理现象.以往的研究多关注无相互作用系统中的二阶奇异点,对具有相互作用的多粒子系统,及其中可能出现的高阶奇异点讨论较少,特别是相关的实验工作尚未见报道.本文研究了具有宇称-时间反演对称性的两量子比特体系,证明了该体系中存在三阶奇异点,并且量子比特间的伊辛型相互作用能够诱导体系在三阶奇异点附近出现能量的高阶响应,可通过测量特定量子态占据数随时间的演化拟合体系本征值的方法来验证.其次通过探究该体系本征态的性质,展示了奇异点的态聚合特征,并提出了利用长时间演化后稳态的密度矩阵验证态聚合的方法.此外,还将理论的两量子比特哈密顿量映射到两离子实验系统中,基于¹⁷¹Yb~+囚禁离子系统设计了实现和调控奇异点,进而验证三阶响应的实验方案.这一方案具有极高的可行性,并有望对利用非厄米系统实现精密测量和高灵敏度量子传感器提供新的思路.     

实验观测非厄米系统奇异点的手性翻转现象

在非厄米系统参数空间的黎曼曲面上存在简并点,此时本征值和相应的本征矢量同时合并,这些非厄米简并点也被称为奇异点.作为非厄米物理系统的相变临界态,奇异点会引起诸多违反直觉的现象,如损耗诱导透明、单向隐身以及非对称的模式转换.特别有趣的是,奇异点的本征矢量是自正交的,并且由于维度的缺失,特定非厄米系统的奇异点具有固有的手性.本文基于开口谐振环这种特殊的超构材料谐振子构造了耦合系数符号可以灵活调控的非厄米系统,并在实验上观测了非厄米系统奇异点的手性翻转现象.利用耦合系数符号的改变来实现非厄米系统奇异点的手性态调控,不仅为研究开放系统中的基本非厄米物理开辟了一条新的途径,而且在设计高效手性模式转换以及手性天线等光子器件方面具有一定的应用价值.     

非厄米线性响应理论及其应用

线性响应理论是现代物理实验尤其是量子物态测量实验的理论基础,其核心是将物理系统的探测信号作为微扰,利用系统在未受扰动时的关联函数来刻画物理可观测量的响应.半个多世纪以来,基于封闭量子系统的线性响应理论在量子物态测量实验上取得了巨大的成功.随着超冷原子实验在光场与系统相互作用精确操控方面的快速进展,近年来高精度的冷原子实验已经具备研究耗散量子多体系统的条件,新奇的物理现象在实验中层出不穷,这使得国内外研究者对量子开放系统及其非厄米物理的研究与日俱增.基于此,我们发展了一个量子开放系统的线性响应理论——非厄米线性响应理论.该理论将耗散带来的非厄米效应与量子噪声作为外部探测输入来探测量子系统的性质,并将实验可观测量的含时演化与系统未受扰动状态时的关联函数及其谱函数联系了起来,提供了区分正常物态和奇异物态的一种新手段,所得到的结果与最近冷原子系统实验的结果高度吻合.本文介绍了非厄米线性响应理论,并讨论该理论在量子多体系统以及具有时间反演对称性的量子系统中的应用.     

畴壁系统中的非厄米趋肤效应

非厄米趋肤效应是近几年非厄米物理研究领域中的热点问题,它揭示了非厄米系统中体态波函数和能谱计算会敏感依赖于边界条件的新奇现象.人们提出广义布里渊区的概念用以刻画非厄米系统中的体态波函数和能带性质.基于广义布里渊区计算的非布洛赫拓扑数可以重新构建非厄米拓扑体边对应关系.然而,过去关于非厄米趋肤效应的讨论主要针对开放边界条件,如果采用畴壁边界条件,广义布里渊区和非布洛赫拓扑数的计算都需要重新考虑.本文综述了近几年关于畴壁边界条件下非厄米趋肤效应的若干研究工作,首先从一般的一维非厄米单带模型出发,推导广义布里渊区方程的一般形式;然后回顾了非厄米SSH (SuSchieffer-Heeger)模型中广义布里渊区和非布洛赫拓扑数的计算;最后在一维光量子行走的系统中,介绍了实验上非厄米趋肤效应的实现和非厄米拓扑边缘态的探测.     

高维宇称-时间对称系统中的信息恢复与临界性

近期,满足宇称-时间对称性的非厄米系统的研究取得了令人印象深刻的进展,如物理系统拓扑性质和奇异点处临界性的观测.宇称-时间对称的非幺正动力学的一个至关重要的方面就是系统与环境之间的信息流动.本文利用量子态间的可区分性这一物理量,统一量化了低维与高维宇称-时间对称的非厄米系统和环境之间的信息流动.数值计算结果表明,在宇称-时间对称性保持的相区域可以观测到量子态间可区分性的振荡以及完全的信息恢复.然而在宇称时间对称性破坏的相区域,信息处于指数衰减的状态.奇异点处标志着信息流动的可逆与不可逆的临界性,量子态间的可区分性表现出幂律衰减的行为.理解非幺正量子动力学中的这些独特的现象为研究开放量子系统提供了重要视角,并且有助于其在量子信息中的应用.     

键长-键角和Radau坐标下哈密顿算符在傅里叶基组表象下的厄米性

在量子动力学计算中,有时候为了规避奇点问题或者节省计算量,我们经常需要对哈密顿量进行变换. 然而,在使用傅里叶基矢计算时,哈密顿量的变换形式容易导致哈密顿矩阵失去厄米性,进而有些情况下使数值计算变得不稳定. 本文主要讨论构建具有厄米性的哈密顿算符的方法. 以三原子分子为例,构建了键长—键角和Radau坐标下描述分子运动的各种形式的哈密顿量. 基于这些哈密顿量,采用含时波包方法计算了OClO分子的吸收光谱,讨论了非厄米性矩阵对计算结果的影响. 本文所得到的结论对基于基函数展开的量子动力学计算都是适用的.     

高维非厄米系统奇异点的多样性研究

不同于传统的厄米系统,非厄米系统存在奇异点。当某一参数演化到奇异点时,非厄米系统发生相变,即两个本征态合并成一个。利用耦合的超材料人造原子,研究了二态和四态的非厄米系统。通过记录电磁波开放系统相干吸收峰频率随损耗的变化,研究了非厄米系统本征值的各种演化轨迹。理论和电磁场仿真结果表明,四态非厄米系统的本征态通过不同的方式合并,可以形成五种奇异点;其中,由两个以上本征态合并产生的奇异点,称为高阶奇异点。     

高维非厄米系统奇异点的多样性研究EI北大核心CSCD

不同于传统的厄米系统,非厄米系统存在奇异点。当某一参数演化到奇异点时,非厄米系统发生相变,即两个本征态合并成一个。利用耦合的超材料人造原子,研究了二态和四态的非厄米系统。通过记录电磁波开放系统相干吸收峰频率随损耗的变化,研究了非厄米系统本征值的各种演化轨迹。理论和电磁场仿真结果表明,四态非厄米系统的本征态通过不同的方式合并,可以形成五种奇异点;其中,由两个以上本征态合并产生的奇异点,称为高阶奇异点。     

非厄米局域拓扑指标的动力学特性

非厄米拓扑系统的拓扑不变量可以由定义在双正交基下的局域拓扑指标刻画.不同于厄米体系,非厄米局域拓扑指标在动力学过程中的传播和演化目前还未见文献讨论.本文研究非厄米拓扑体系局域拓扑指标的动力学特性,重点关注淬火过程中,局域拓扑指标由边界向体内的传播.结果表明,当淬火前后的体系拓扑性质不同时,系统中存在局域拓扑指标的流动,其流速与体系群速度相关,但具体形式与相应厄米体系不同.以3个具体模型为例,通过数值计算说明了这一结论.其中,对于特定具有非厄米趋肤效应的模型,可以发现局域拓扑指标的流速上限与广义布里渊区中的群速度直接相关.但这一关系在其他非厄米模型中则需要修正,其更普适的形式有待进一步研究.本文的结果揭示了非厄米体系中局域拓扑指标传播的复杂性,是进一步理解非厄米局域拓扑指标动力学行为的基础.     

量子显自极寒来——冷原子研究漫谈

冷原子体系的量子波动性、宏观量子相干性和人工可调控性,使其成为了一个全新的量子体系,其新颖的量子态和奇异物性的研究是国际上具有前瞻性和挑战性的前沿领域。自1995年实现稀薄气体玻色—爱因斯坦凝聚以来,从单组分、简单相互作用的研究逐渐过渡到多组分、复杂多体效应以及自旋—轨道耦合、非厄米、强关联、无序效应等新物理的研究。文章介绍了近几年冷原子方面的研究进展,包括冷原子的相关技术、冷原子在量子精密测量、量子模拟和量子计算方面的重要工作,期望给未来的研究以新启迪。     

量子系统哈密顿量的必要条件

在此前的量子理论中,哈密顿量被要求是厄米算符,这既保证了其本征值谱为实又保证了动力学演化过程几率守恒。近年来,一些非厄米哈密顿量被发现同样满足这两条要求。然而,这两条要求都是哈密顿量可描述量子系统动力学的充分条件而非必要条件。文章中我们从量子化条件和动力学演化方程出发,考察一般形式的哈密顿量,表述为产生算符和湮灭算符之正规积的形式,欲为恰当的哈密顿量所应满足的必要条件。对于形如$\\hat{H}=\\hat{p}^2+\\mathrm{i} \\hat{x}^3$和$\\hat{H}=\\hat{p}^2-\\hat{x}^4$这样的近年来得到广泛关注的非厄米哈密顿量,容易验证它们满足必要性条件。必要性条件可以用来及时排除那些不恰当的非厄米哈密顿量形式。     

非厄米镶嵌型二聚化晶格

非厄米系统近年来受到了物理学相关领域研究人员的大量关注.非厄米因素的存在往往会带来许多在厄米系统中不存在的新奇效应.本文引入一类新的非厄米晶格系统—非厄米镶嵌型二聚化晶格.在这一模型中,交替变化的非对称跃迁被等间距地施加在某些相邻格点的跃迁项中.研究结果表明,随着非对称跃迁强度的增大,系统在开边界条件下的能谱会从实数变为复数.此外,系统中的非厄米趋肤效应和不同边界条件下的能谱性质会受到镶嵌型调制周期的影响.当这一调制周期为奇数时,系统中不存在非厄米趋肤效应,且其能谱在开放和周期边界条件下是一样的（拓扑边界态除外）;而当镶嵌型调制周期为偶数时,系统中存在非厄米趋肤效应,且其能谱在不同的边界条件下具有完全不同的结构.本文进一步研究了这类系统中的拓扑零能边界态,并计算了Berry相位对其进行表征.本研究揭示了镶嵌型非对称跃迁对系统性质的影响,拓展了非厄米系统这一领域的相关研究.     

拓扑电路——新奇拓扑物理现象的研究平台（英文）

在过去的十年里,材料的拓扑相变以及它们的奇异物理现象在固态电子学领域掀起了研究热潮。近些年来,人们开始在其他系统中重现和模拟电子体系中的各种拓扑现象,包括冷原子气体、离子阱、光子学、声子学、机械波和电路体系。在这些体系平台中,由电感电容所组成的拓扑电路因具有高度灵活的设计自由度、高性价比、易加工和易集成的独特优势而备受关注。除此之外,在拓扑电路中可以方便地设计具有任意长程耦合、非线性、非互易、增益等效应的拓扑模型,从而实现很多在电子体系和光学体系中难以实现的非线性、非阿贝尔和非厄米的拓扑相变材料。本文作为拓扑电路领域的第一篇综述,系统性地回顾了过去六年拓扑电路领域的主要进展,重点关注其理论建模、电路设计与实验测量,并对拓扑电路与电子和光学体系中的拓扑绝缘体着重进行讨论和区别。本综述涵盖了多种不同类型的拓扑电路,包括含有非平庸边界态、高阶拓扑角模式以及外尔粒子的厄米拓扑电路,拥有拓扑节线和节点态的高维拓扑电路,具有趋肤效应和由增益/衰减导致的非厄米拓扑电路,自感应拓扑边界态的非线性拓扑电路,以及具有非阿贝尔规范场效应的拓扑电路。     

非厄米哈密顿量的物理意义

分析了一个脉冲激光与原子相互作用的四能级系统，并考虑最上层能级的自电离过程，从而引入非厄米哈密顿量.在缀饰原子模型下，通过直接求解此哈密顿量的本征值与本征函数，得到系统布居的演化函数.与数值方法所得演化函数的对比表明二者相当符合，从而肯定了非厄米哈密顿量在量子力学框架中的地位，并得到其本征值虚部的物理意义.这将使传统量子力学中力学量的定义得以拓展. 关键词： 非厄米哈密顿量 缀饰原子模型     

拓扑超导Majorana束缚态的探索

Majorana束缚态具有非阿贝尔量子统计特性,是极具潜力的拓扑量子计算方案的核心.近期有多项实验研究提供了Majorana束缚态在某些超导体系中的存在证据,使其成为近期凝聚态物理以及量子计算领域的前沿焦点之一.本文介绍拓扑超导的机理、Majorana束缚态的新奇物理特性、实验观测和操作的方法以及相关量子器件的设计,最后展望该研究方向的发展前景.     

宇称时间对称性声学

对称性是自然界中最基本的物理属性之一。很多物理现象都与对称性相关联。例如,量子力学中描述具备一定对称性微观物理过程采用厄米—哈密顿算符,其中厄米性不仅确保算符本征值为实数,而且使微观过程满足几率守恒。1998年,Bender和Boettcher发现存在一类非厄米—哈密顿算符,它们的本征值也为实数并满足几率守恒。这类非厄米哈密顿算符最为典型的特征是满足宇称时间对称性。由于时变薛定谔方程和近轴波动方程形式具有相似性,故可进一步将宇称时间对称性引入经典波开放体系。文章回顾了量子体系中宇称时间对称破缺的发现过程,介绍了宇称时间对称性声学的理论模型,以及近期发现的一些奇异效应,并展望了宇称时间对称性声学的研究前景。     

基于冷原子的非平衡量子多体物理研究

量子多体物理和非平衡物理相结合,是当前物理学研究的重要机遇和挑战.非平衡量子多体物理不仅是当前物理学多个分支共同感兴趣的问题,而且是发展新兴量子科技不可或缺的理论基础.冷原子体系为研究非平衡量子多体物理提供了理想的平台.冷原子等人工量子体系的优势,体现在研究孤立系统热化、和环境耦合导致的耗散、系统参数的扫描、跳变和周期驱动等多种非平衡动力学过程.本文结合笔者的研究成果,给出3个具体的例子,展示基于冷原子的非平衡量子多体物理的研究,如何突破拓扑物理研究的已有框架,发展新的测量量子多体关联的方法,以及丰富规范理论研究的内涵.这类研究聚焦量子多体系统的拓扑、关联等基本性质,利用冷原子体系的优势以实现理论和实验的定量结合,以期提炼出具有普适性的物理规律,并推广到凝聚态物质、核物质等其他物理系统的非平衡过程.     

谐振子薛定谔方程的超对称解法

通过构造哈密顿量与谐振子系统哈密顿量对易的超对称系统,量子谐振子的性质就可以通过对超对称系统的研究来得到.利用超对称系统的性质,在没有用到厄米多项式的情况下,给出了谐振子本征函数中展开系数间的递推关系,由递推关系可以直接得到本征函数.此方法下得到的归一化本征函数与用厄米多项式表达的本征函数完全相同,并且本征函数的宇称可以明显的显示出来.     

周期驱动的二能级系统中的准宇称-时间对称动力学

本文研究了一个周期驱动的非宇称-时间对称二能级量子系统的非厄米动力学.通过经典相空间分析方法,解出了该非厄米系统的Floquet态和准能谱,并解析构造了由该非厄米哈密顿量支配下的量子态的非幺正时间演化算符,给出了不同参数区域的量子态演化.本文数值和分析证明,该非宇称-时间对称二能级Floquet系统,类似于宇称-时间对称系统,存在一个准能谱从实数谱到复数谱的相变.本文还揭示了在量子态的动态演化中存在一种准宇称-时间对称动力学,即,该系统的粒子布居概率演化完全满足时间空间对称(宇称-时间对称),但是由于相位演化违反了宇称-时间对称性的要求,因此包含相位信息的量子态演化不满足时间空间对称(宇称-时间对称).这些结果加深了对非厄米物理的理解,拓展和推广了传统的宇称-时间对称概念.     

利用超导量子电路模拟拓扑量子材料

近年来,探索新的拓扑量子材料、研究拓扑材料的新奇物理性质成为凝聚态物理领域的一个热点.但是,由于合成、测量等手段的限制,人们难以在真实材料中实现和观测很多理论预言的材料及其物理性质,促使量子模拟日益成为研究量子多体系统的一个重要手段.作为全固态器件,超导量子电路是一个在扩展性、集成性、调控性上都具有巨大优势的人工量子系统,是实现量子模拟的重要方案.本文总结了利用超导量子电路对时间-空间反演对称性保护的拓扑半金属、Hopf-link半金属和Maxwell半金属等拓扑材料的量子模拟,显示出超导量子电路在模拟凝聚态物理系统方面具有广阔前景.