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。
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。
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。