港科大研究人員從粒子損失中獲得量子控制的新方法

近日，香港科技大學(HKUST)的研究人員展示了一種通過粒子損失來控制量子態的新方法。這一過程通常在量子設備中被避免，新方法為實現前所未有的量子狀態提供了一條新途徑。

操縱量子系統需要以零失誤操作對量子態進行微妙控制，否則編碼在量子態中的有用信息會被打亂。其中一個最常見的有害過程是組成系統的粒子損失。這個問題長期以來一直被視為量子控制的敵人，科學家通過系統的隔離來避免。但現在，香港科技大學的研究人員發現了一種可以從原子量子系統中的損失中獲得量子控制的方法。

研究人員表示，教科書告訴我們，在量子力學中，處于優勢地位的系統不會受到粒子損失的影響，因為它與環境很好地隔離。然而，一個開放系統——從經典系統到量子系統，無處不在。這樣的開放系統，由非厄米物理學（non-Hermitian physics）描述，表現出在厄米系統中無法觀察到的各種反直覺現象。

在這項研究中，香港科技大學的研究人員調整了系統的參數，使它們圍繞一個特殊點掃出一個閉環——也稱為非厄米系統中出現的異常點。結果發現環的方向（即順時針還是逆時針）決定了最終的量子態。

研究者表示，這種定向量子態在異常點周圍轉移的手性行為，可以成為量子控制的重要組成部分。如今，研究小組正控制非厄米量子系統。

該發現的另一個含義是兩種看似無關的機制：非厄米物理學（由損耗引起）和自旋軌道耦合（spin-orbit coupling）相互作用。自旋軌道耦合(SOC)是有趣的量子現象背后的基本機制，例如拓撲絕緣體，其在內部表現為絕緣體，但其表面流動電子的作用類似于導體。

盡管非厄米物理學取得了重大進展，但SOC機制僅在厄米系統中得到廣泛研究，而對于自旋軌道耦合量子系統中損失所起的主要作用在實驗上知之甚少。更好地理解這種非厄米SOC，對于新材料的開發至關重要

而在這項工作中，研究人員首次完成了超冷原子的耗散自旋軌道耦合系統，充分表征了其量子態，并在非厄米物理學的背景下展示了手性量子控制。這一發現為未來探索自旋軌道耦合物理學奠定了基礎。

題為Chiral control of quantum states in non-Hermitian spin–orbit-coupled fermions的相關研究論文發表在《自然-物理學》上。

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論文原文：

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

標簽： 粒子 量子