物理学家和工程师长期以来一直对创造新的物质形式感兴趣，这些物质通常在自然界中不存在。这样的材料有一天可能会在新型计算机芯片中使用。除了应用之外，它们还揭示了关于宇宙基本运作的难以捉摸的见解。麻省理工学院最近的工作创造并表征了新的量子系统，展示了动态对称性——特定类型的周期性重复的行为，如折叠并随时间反射的形状。
“我们需要解决两个问题，”核科学与工程教授 Paola Cappellaro 实验室的研究生李昌浩说。Li 最近与 Cappellaro 和研究生王国庆一起在《物理评论快报》上发表了这项工作。“第一个问题是我们需要设计这样一个系统。第二，我们如何表征它？我们如何观察这种对称性？”
具体来说，量子系统由直径约一毫米的金刚石晶体组成。该晶体包含许多由晶格间隙附近的氮原子引起的许多缺陷- 所谓的氮空位中心。就像电子一样，每个中心都有一个称为自旋的量子特性，具有两个离散的能级。因为该系统是一个量子系统，所以自旋不仅可以在一个能级中找到，也可以在两个能级的组合中找到，就像薛定谔的理论猫一样，它可以同时生死。
该系统的能级由其哈密顿量定义，研究人员通过微波控制设计了其周期性时间依赖性。如果系统的哈密顿量不仅在每个时间段 t 之后都相同，而且在例如每个 t/2 或 t/3 之后都相同，则称该系统具有动力学对称性，例如将一张纸对折或对折，以便没有部分突出。北京计算科学研究所的博士后 Georg Engelhardt 没有参与这项工作，但他自己的理论工作作为基础，将对称性比作吉他泛音，其中一根弦可能以 100 赫兹和 50 赫兹的频率振动。
为了诱导和观察这种动态对称性，麻省理工学院团队首先使用激光脉冲初始化系统。然后他们将各种选定频率的微波辐射指向它并让它进化，让它吸收和发射能量。“令人惊奇的是，当你添加这样的驱动时，它可以表现出一些非常奇特的现象，”李说。“它会有一些周期性的震动。” 最后，他们向它发射另一个激光脉冲并测量它发出荧光的可见光，以测量它的状态。测量只是一个快照，所以他们重复了多次实验，拼凑出一种翻书，描述其随时间变化的行为。
“非常令人印象深刻的是，他们可以证明他们对量子系统有这种令人难以置信的控制，”恩格尔哈特说。“解方程很容易，但在实验中实现这一点非常困难。”
至关重要的是，研究人员观察到哈密顿量的动态对称性——系统能级的谐波——决定了一种状态和另一种状态之间可能发生的转换。“而这项工作的新颖之处，”王说，“还在于我们引入了一种工具，可用于表征任何量子信息平台，而不仅仅是钻石中的氮空位中心。它具有广泛的适用性。” Li 指出，他们的技术比以前的方法更简单，以前的方法需要恒定的激光脉冲来驱动和测量系统的周期性运动。
一个工程应用是在量子计算机中，即操纵量子位的系统，这些位不仅可以是 0 或 1，还可以是 0 和 1 的组合。钻石的自旋可以在其两个能级中编码一个量子位。
量子位是微妙的：它们很容易分解成简单地位，1 或 0。或者量子位可能成为 0 和 1 的错误组合。“这些用于测量动态对称性的工具，”恩格尔哈特说，“可以用作健全性检查您的实验是否已正确调整 - 并且具有非常高的精度。” 他注意到量子计算机中的外部扰动问题，他将其比作失谐的吉他。通过调整弦的张力——调整微波辐射——使谐波符合一些理论对称性要求，可以确保实验得到完美校准。
MIT 团队已经将目光投向了这项工作的扩展。“下一步是将我们的方法应用于更复杂的系统并研究更有趣的物理学，”李说。他们的目标是两个以上的能量水平——三个、10 个或更多。随着更多的能级，它们可以代表更多的量子比特。“当你有更多的量子比特时，你就会有更复杂的对称性，”李说。“你可以在这里使用我们的方法来表征它们。”
PS:自ASC科研项目进入中国市场以来，在哥伦比亚大学终身教授和写作教授的帮助下，许多成员的论文作为“独立作品”完成，含金量高，符合学术标准，并在国家、CPCI和国际会议期刊上定制出版。
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