港科大研究人员从粒子损失中获得量子控制的新方法

近日，香港科技大学(HKUST)的研究人员展示了一种通过粒子损失来控制量子态的新方法。这一过程通常在量子设备中被避免，新方法为实现前所未有的量子状态提供了一条新途径。

操纵量子系统需要以零失误操作对量子态进行微妙控制，否则编码在量子态中的有用信息会被打乱。其中一个最常见的有害过程是组成系统的粒子损失。这个问题长期以来一直被视为量子控制的敌人，科学家通过系统的隔离来避免。但现在，香港科技大学的研究人员发现了一种可以从原子量子系统中的损失中获得量子控制的方法。

研究人员表示，教科书告诉我们，在量子力学中，处于优势地位的系统不会受到粒子损失的影响，因为它与环境很好地隔离。然而，一个开放系统——从经典系统到量子系统，无处不在。这样的开放系统，由非厄米物理学（non-Hermitian physics）描述，表现出在厄米系统中无法观察到的各种反直觉现象。

在这项研究中，香港科技大学的研究人员调整了系统的参数，使它们围绕一个特殊点扫出一个闭环——也称为非厄米系统中出现的异常点。结果发现环的方向（即顺时针还是逆时针）决定了最终的量子态。

研究者表示，这种定向量子态在异常点周围转移的手性行为，可以成为量子控制的重要组成部分。如今，研究小组正控制非厄米量子系统。

该发现的另一个含义是两种看似无关的机制：非厄米物理学（由损耗引起）和自旋轨道耦合（spin-orbit coupling）相互作用。自旋轨道耦合(SOC)是有趣的量子现象背后的基本机制，例如拓扑绝缘体，其在内部表现为绝缘体，但其表面流动电子的作用类似于导体。

尽管非厄米物理学取得了重大进展，但SOC机制仅在厄米系统中得到广泛研究，而对于自旋轨道耦合量子系统中损失所起的主要作用在实验上知之甚少。更好地理解这种非厄米SOC，对于新材料的开发至关重要

而在这项工作中，研究人员首次完成了超冷原子的耗散自旋轨道耦合系统，充分表征了其量子态，并在非厄米物理学的背景下展示了手性量子控制。这一发现为未来探索自旋轨道耦合物理学奠定了基础。

题为Chiral control of quantum states in non-Hermitian spin–orbit-coupled fermions的相关研究论文发表在《自然-物理学》上。

前瞻经济学人APP资讯组

论文原文：

https://www.nature.com/articles/s41567-021-01491-x