前沿：薛鵬團隊在量子行走領域取得重要進展

02-09

?薛鵬教授領導的研究團隊在Nature Physics發文，圖片截自Nature Physics

供稿 | 東南大學

責編 | 鞠強（《知識分子》特約編輯）

知識分子為更好的智趣生活 ID：The-Intellectual

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近年來，量子物理有三個重要的研究方向引起學界的廣泛關注，即宇稱-時間對稱、量子行走和拓撲保護邊界態。其中，宇稱-時間對稱性是對傳統量子力學的有力擴展，量子行走提供了一個普適的量子信息處理平台，而發現和認識拓撲保護邊界態則大大地拓寬了人們對物態的認識。

7月31日，東南大學物理學院薛鵬教授領導的研究團隊在《自然·物理》（Nature Physics）上在線發表題為Observation of topological edge states in parity–time-symmetric quantum walks的論文，報道了該團隊首次在開放系統中實驗實現了宇稱-時間對稱的量子行走並觀測到新型一維拓撲保護邊界態。這項研究涉及上述三個研究方向中最本質和關鍵的問題，利用量子光源和線性光學體系首次在開放系統中實現了具有宇稱-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，並證明其對於擾動和無序失調（disorder）的魯棒性，為基於量子行走平台實現量子計算提供了新的依據。

早在2011年10月，薛鵬教授就開始關注宇稱-時間對稱的量子行走，而對於量子行走中的拓撲現象的興趣更是要追溯到2010年10月。2013年底薛鵬教授團隊開始籌建實驗室，也一直將此當成著力關注的研究方向之一。

?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，圖片截自Xiao et al, 2017 http://nature.com

薛鵬教授團隊首先設計了開放系統中loss-no loss量子行走模型，以交替的損耗-不損耗的方式取代難以實現的損耗-增益，並證明其滿足宇稱-時間對稱性。他們利用單光子在線性光學體系中實現了宇稱-時間對稱的量子行走，分別演示了這種對稱性保持、破缺以及臨界點的量子特性，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。

接下來，薛鵬教授團隊進一步研究開放系統的量子行走的特殊性質和應用。封閉系統中量子行走的演化是幺正的，並且具有particle-hole、時間反演和手性三種對稱性，這為研究Floquet拓撲相提供了一個理想的平台。開放系統中，時間反演對稱和手性對稱均破缺，是否存在Floquet拓撲相一直是一個懸而未決的問題。薛鵬教授團隊研究發現，宇稱-時間對稱的量子行走也存在三種對稱性，即宇稱-時間、宇稱-手性和particle-hole對稱。在此驅動下，非幺正的量子行走同樣存在Floquet拓撲相，而其bulk拓撲性質可由一對拓撲不變數來表徵。

在解決這一理論難題後，該團隊又要面對實驗上如何全面且清楚地表示拓撲性質及新的物態這一挑戰。經過反覆的論證，該團隊通過控制量子行走的參數，發現在具有不同bulk拓撲性質的區域的邊界存在源於Floquet拓撲相的邊界態，同時可以通過宇稱-時間對稱的量子行走的動力學演化結果觀測到拓撲邊界態。由於開放系統的特性，動力學演化過程展現出與幺正量子行走截然不同的結果。例如，幾率分布呈現局域化，而在參數空間邊界的位置的有效幾率隨演化時間增長而增長。

薛鵬教授團隊在實驗中還觀測到兩類不同的拓撲邊界態的存在，其對量子行走的動力學演化的作用隨時間交替呈現，而這則是Floquet拓撲相的特徵。與此同時，通過分別引入宇稱-時間對稱保持的擾動和宇稱-時間對稱破缺的無序失調，實驗證實了拓撲邊界態對這兩種情況均表現出很強的魯棒性。這是因為無序失調雖然導致宇稱-時間對稱破缺，但是依然存在一種更為普適的對稱性（即pseudo-unitarity），對拓撲邊界態起到保護作用。這也是迄今首次實驗證實pseudo-unitarity這種對稱性的存在。

? 薛鵬教授團隊合影，圖片來自薛鵬實驗室

這項研究是由薛鵬教授領導的國際合作，論文的理論合作者包括中國科學技術大學的易為教授、日本北海道大學的Hideaki Obuse教授和加拿大卡爾加里大學的Barry C. Sanders教授。薛鵬教授團隊繼利用量子行走實現量子通信後，在量子模擬及量子計量的實驗研究方面取得的這一重大進展，有助於進一步理解開放系統的拓撲性質，同時為探索拓撲量子計算開闢了新途徑。未來研究人員有望基於對宇稱-時間對稱的量子行走中新奇物理的研究，開發新型的具有量子特性的光調控器件。

參考文章

Observation of topological edge states in parity–time-symmetric quantum walks, Nature Physics (2017) doi:10.1038/nphys4204

製版編輯：艾略特丨

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