東南大學薛鵬教授團隊：在宇稱時間對稱的量子行走中發現新型一維拓撲保護邊界態

【成果簡介】

東南大學物理學院薛鵬教授團隊首次在開放系統中實驗實現宇稱-時間對稱的量子行走并觀測到新型一維拓撲保護邊界態，為基于量子行走平臺實現量子計算提供了新的依據。該研究成果于7月31日以長文（article）形式在線發表于國際著名學術期刊Nature Physics，題目為“Observation of topological edge states in parity–time-symmetric quantum walks”(DOI：10.1038/nphys4204)。

【圖文導讀】

圖1. 宇稱-時間對稱的量子行走的相圖及觀測拓撲保護邊界態實驗裝置圖

（a）含參數?(θ1,?θ2)?以及每一個實驗案例相應的拓撲數據?(ν0,?νπ)的相圖

（b）內部(| x |≤x0)和外部( | x | > x0)區域的非統一量子阱

（c）通過貝爾狀態下的自發參變轉換創造出光子對的實驗裝置

圖2.不同條件下量子阱的狀態圖

左：準動量?k?與準能量ε的函數關系曲線，實線表示準能量ε的實際部分，虛線代表準能量ε的虛構部分

中：時間演化算符?λ的特征值的分析結果在復平面內的表示

右：實測概率（實心柱）與預測概率（陰影柱）的對比圖

【研究內容】

這篇論文涵蓋了宇稱-時間對稱，量子行走，拓撲保護邊界態三個近年來量子物理學界最為關注的方向。宇稱-時間對稱性擴展了傳統量子力學的框架。量子行走提供一個普適的量子信息處理平臺，廣泛地應用于量子計算和量子模擬。而拓撲保護邊界態是由于整體拓撲效應所導致的全新態，它的發現拓寬了人們對物態的認識，而其最激動人心的應用之一就是實現具有強大容錯能力的拓撲量子計算。

該團隊著眼于這三個研究方向中最本質和關鍵的問題，將之有機結合，利用量子光源和線性光學體系首次實現了開放系統中具有宇稱-時間對稱性的量子行走，通過對量子行走的參數的控制，觀測到新型一維拓撲保護邊界態，并證明了其對于擾動和無序失調（disorder）的魯棒性。

在傳統的量子力學中，描述一個量子力學系統的哈密頓量必須具有厄密性，而1998年兩位物理學家Bender和?Boettcher指出，厄密性并非本征值為實數的必要條件，滿足宇稱-時間對稱性的非厄密哈密頓量的本征值也為實數，該理論被認為是對于傳統量子力學框架的有力拓展。以往相關實驗都是利用復雜的人造材料中的光學性質，但這都屬于經典的范疇。薛鵬教授團隊設計了開放系統中loss-no loss量子行走模型，證明其同樣滿足宇稱-時間對稱性。并利用單光子在線性光學體系中首次實現了真正意義上的宇稱-時間對稱的量子系統的動力學演化過程。

而更為重要的是對于由宇稱-時間對稱的量子行走驅動的Floquet拓撲相的研究。封閉系統中幺正量子行走為研究Floquet拓撲相提供了一個理想的平臺。而開放系統中，是否存在Floquet拓撲相一直以來懸而未決。而薛鵬教授團隊研究發現，宇稱-時間對稱的量子行走存在三種對稱性，即宇稱-時間，宇稱-手性和particle-hole對稱，在此驅動下，同樣存在Floquet拓撲相。實驗表明，控制量子行走的參數，在具有不同bulk拓撲性質的區域的邊界可以觀測到源于Floquet拓撲相的邊界態，并且展現出與幺正量子行走中不同的特性。

這一工作有助于進一步理解開放系統的拓撲性質。對基于宇稱-時間對稱量子行走中新奇的物理現象的研究有望在未來以此開發新型的具有量子特性的光調控器件。這是薛鵬教授團隊繼利用量子行走實現量子通信，量子模擬及量子計量的實驗研究方面取得的又一重大進展，為基于量子行走平臺實現量子計算提供新的依據，為探索拓撲量子計算開辟了新途徑。

該論文的理論合作者為中國科學技術大學的易為教授，日本北海道大學的Hideaki Obuse教授及加拿大卡爾加里大學的Barry C. Sanders教授。論文第一作者為薛鵬教授指導的博士生，薛鵬是該論文的通信作者。上述研究得到了國家自然科學基金和江蘇省杰出青年基金的支持。

原文鏈接：http://www.seu.edu.cn/2017/0802/c17409a193415/page.htm.

文獻鏈接：Observation of topological edge states in parity–time-symmetric quantum walks (NATURE PHYSICS, 2017, DOI：10.1038/nphys4204)

本文由材料人編輯部孟令曉編輯，點我加入材料人編輯部。

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