科大学者发现利用损耗实现量子控制的新方法

(文章转载自EurekAlert!,首次刊登於2022年1月24日)

26-01-2022
新研究发现,在有损耗的自旋轨道耦合参数空间中,量子态的演化与方向相关。图:Dong Liu

新研究发现,在有损耗的自旋轨道耦合参数空间中,量子态的演化与方向相关。图:Dong Liu

香港科技大学(科大)的研究人员发现一个新方法,利用粒子损耗这种在量子器材中通常需要避免的过程来控制量子态,有机会能为实现前所未有的量子态开闢新的途径。

操控量子系统需微妙地掌控量子态,不能有丝毫不完美的运作出现,否则量子态中的有用信息会被扰乱。其中,有份组成系统的粒子出现损耗,乃掌控量子领域中面对最普遍而重大的挑战。科学界一直透过孤立系统来避免这个问题。惟现在,科大的研究人员发现了一种能通过原子量子系统中的损耗来控制量子的方法。
这项发现近日於《自然物理》杂誌上发表。

负责这项研究的科大物理学Hari Harilela副教授曹圭鹏表示,研究结果显示「损耗」有潜力成为量子控制的开关。

「量子力学的教科书指出,只要把系统从环境中有效分隔开来,系统便不会受粒子损失的影响。然而,不论是传统系统抑或量子系统,开放的系统总是无处不在。而正如非厄米特物理学理论所形容,这样的开放系统呈现了很多有违直觉,以及无法在厄米系统中观察到的现象。」

含损耗的非厄米物理学在传统系统中早已得到充分的探讨,但直到最近,这种有违直觉的现象方在真正的量子系统中得被观察得到且加以实现。在这次研究工作中,科大的研究人员改变了系统的参数,沿著特殊点(亦即非厄米系统中的奇异点)周围建立了一个闭环路径,发现了闭合路径旋转的方向(例如顺时针或逆时针),能决定最终的量子状态。

该团队的另一位负责人,科大物理学系李赞恒教授表示:「这种跟手性有关的特性﹕即围绕奇异点、由方向决定的量子态转化,可以是量子控制的一个重要组成部分。我们现正站立於控制非厄米量子系统的起始点。」

该发现的另一项意义在於:两个看似无关的机制,即非厄米物理(由损耗引起)和自旋轨道耦合,是如何产生相互作用。自旋轨道耦合(SOC)是很多有趣的量子现象,例如拓撲绝缘体背後的一个基本机制,其内部表现为绝缘体,但其表面的电子流动则与导体相似。儘管近年非厄米物理学领域方面取得多个重大进展,SOC机制却仅於厄米系统中被广泛研究,至於损耗在自旋轨道耦合量子系统实验中的重要角色,人们却所知甚少。加强理解这种非厄米系统下的SOC,对於开发新材料至关重要,但在凝聚态物理学的领域裏,这种知识仍未被充分掌握。

在是次研究中,研究人员首次实现了有耗散超冷原子自旋轨道耦合系统、充分描述了其量子态,并在非厄米物理学的基础上示範了手性量子控制。这项发现为探索非厄米体系中的自旋轨道耦合物理奠定基础,并突出了非厄米系统在实现、设定和掌控损耗与SOC这两种基本机制的优秀能力,未来更将为研究人员提供新方法,在具有超冷原子的高度可控量子模拟器中,精确地模拟这些竞争机制。

这项研究由香港研究资助局、裘槎基金会及哈里莱拉基金会支持。

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