中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在量子傳感和宇稱-時(shí)間（PT）對稱系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究中取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)李傳鋒、唐建順研究組首次實(shí)現(xiàn)了PT對稱增強(qiáng)型量子傳感器，其靈敏度比傳統(tǒng)量子傳感器提高了8.86倍。該研究成果2020年12月10日發(fā)表在國際知名期刊《物理評論快報(bào)》上。

PT對稱理論是為了擴(kuò)展量子力學(xué)而發(fā)展起來的，但它首先在經(jīng)典物理系統(tǒng)中取得了巨大的成功，它有許多違反直覺的現(xiàn)象和引人注目的應(yīng)用，包括單向光傳輸、無線能量傳輸、PT對稱增強(qiáng)的傳感器等。一個(gè)很自然的問題是能否在量子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)這些現(xiàn)象和應(yīng)用，尤其是能否利用PT對稱來增強(qiáng)量子傳感器的靈敏度？理論研究表明這是可行的，難點(diǎn)在于構(gòu)建破缺的量子PT對稱系統(tǒng)。

在前期工作中，李傳鋒、唐建順研究組已經(jīng)利用量子開放系統(tǒng)[Nature Photonics 10, 642(2016)]和非厄米量子邏輯門[Phy. Rev. Lett. 124, 230402 (2020)]構(gòu)建出了量子PT對稱系統(tǒng)。

在這項(xiàng)工作中，研究組構(gòu)造了一個(gè)弱測量輔助的量子PT對稱系統(tǒng)。利用弱測量的弱值直接測量包括實(shí)部和虛部在內(nèi)的系統(tǒng)的全部能譜，并且該系統(tǒng)可以有效地從非對稱破缺區(qū)域過渡到對稱破缺區(qū)域?；谠撓到y(tǒng)，研究組首次實(shí)現(xiàn)了PT對稱增強(qiáng)型量子傳感器，并研究了與提高靈敏度的最佳條件相關(guān)的各種特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，將工作點(diǎn)設(shè)置在PT對稱系統(tǒng)的破缺奇異點(diǎn)，則這種量子傳感器的靈敏度相較于傳統(tǒng)的量子傳感器提高了8.86倍。另外，通過分別檢測能量劈裂的實(shí)部和虛部，還可以得到擾動方向的信息。

（a）宇稱-時(shí)間增強(qiáng)型量子傳感器工作原理圖；（b）實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖

審稿人對該工作給予了高度評價(jià)：“The experiment is very interesting and highly relevant. A very high impact to the field of non-Hermitian physics and PT-symmetry can be expected（這是一個(gè)非常有趣且有意義的實(shí)驗(yàn)，對非厄米物理和宇稱-時(shí)間對稱性領(lǐng)域有著非常大的影響）”?！癟his is a major step forward since a true quantum sensor operated at an EP is shown to work. This is definitely of broad interest（這是一個(gè)重大的進(jìn)步，因?yàn)檫@個(gè)工作證實(shí)了一個(gè)運(yùn)行在奇異點(diǎn)的真正的量子傳感器是可以實(shí)現(xiàn)的。這肯定具有廣泛興趣）”。這項(xiàng)工作向非厄米量子傳感器技術(shù)邁進(jìn)了一大步，也為將有趣的經(jīng)典PT對稱現(xiàn)象及其應(yīng)用引入量子領(lǐng)域提供了范本。

文章的第一作者是中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的俞上博士和博士研究生孟雨。該工作得到了科技部、國家基金委、中國科學(xué)院、安徽省、博士后科學(xué)基金的資助。