科学家首次证明光子量子行走中非厄米边缘爆发的实验证据

Josiah02

在《物理评论快报》的一项新研究中，科学家利用精心设计的光子量子行走装置首次实验性地观察了量子动力学中的非厄米边缘突发。
人们对非厄米系统日益增长的兴趣反映了它们在理解以耗散、与环境的相互作用或增益和损失机制为特征的现实世界系统中的作用。
它们揭示了厄米系统中未见过的新物理现象，例如边界局域化，这在光子学和凝聚态物理学中具有有趣的应用。PRL 研究的研究人员专注于非厄米趋肤效应 (NHSE)，其中系统在边缘或边界处表现出独特的行为。
Phys.org 采访了这项研究的共同作者，中国科学技术大学的魏毅教授、清华大学的王忠教授和北京计算科学研究中心的薛鹏教授。
谈及研究非厄米系统的动机，薛教授表示：“该领域蓬勃发展的一个关键诱因是发现了 NHSE。”NHSE 这个术语是王教授与同事在早期的PRL 研究中创造的，自发现以来，该团队一直在积极研究它。
易教授补充道：“虽然 NHSE 揭示了非厄米系统有趣的静态特性（例如能谱），但我们对可能存在对边界极为敏感的新型动态现象感到非常好奇。”
实时动态
在非厄米系统中，算子不等于其厄米共轭。因此，特征值很复，这导致了类似 NHSE 的特殊现象。
在 NHSE 中，非厄米系统的特征态在边缘或边界处聚集。这与厄米系统中的体积特性不同。NHSE 通常出现在能量增加或损失的开放系统中，即哈密顿量。
先前的研究是在静态条件下研究这种效应的，这意味着系统的性质（如哈密顿量）不会随时间而变化。然而，王和他的团队专注于研究边缘动态如何随时间变化。
王教授表示：“以前的研究主要集中于非厄米系统的静态方面（比如能谱），而我们的工作揭示了一个有趣的动态现象。”
研究实时动态可以深入了解现实世界的系统，其中汉密尔顿量随时间演变，反映系统能量和行为的变化。
一维量子行走
为了研究非厄米系统中的实时边缘动态，研究人员使用了一种以光子为特征的一维量子行走装置。每一步或每一步的移动都由量子硬币翻转决定，从而引入了概率运动。
量子行走动力学中非厄米边缘爆发的实验装置。图片来源：彭雪。
边界或墙是实验装置的一部分，将系统分成两个区域，每个区域遵循不同的量子行走规则。
光子的量子行走借助不同的光学工具来控制，包括分束器、波片和光束位移器。
他们的目标是研究损耗机制在边界上是如何运作的，为此他们使用了部分偏振分束器。这引入了光子损耗，然后他们可以在光子离开系统时测量光子损耗。
通过这种测量，他们能够确定不同位置和时间的损失发生情况，从而揭示边缘的动态。此外，研究人员还探索了不同的初始条件（光子开始的位置）如何影响非厄米系统的边缘动态。
边缘动态
研究人员检测到边界处光子损失概率的增加，证实了非厄米边缘爆发的存在。然而，他们发现这种情况只有同时满足两个条件时才会发生。
第一个条件是必须存在非厄米趋肤效应（本征态在边缘附近聚集）。其次，能谱中的虚隙必须闭合。这意味着能谱实部和虚部之间的差异会减小。
两个条件必须同时满足，这突出了静态局部化（NHSE）和动态演化（虚间隙）之间的相互作用。
易教授解释说：“这些现象提供了对块体非厄米拓扑结构与边界处静态和动态尖锐特征之间对应关系的完整视图。”
他们还得出结论，照片的初始位置在边缘爆发变得明显方面发挥了作用。当光子从边界较远的地方开始时，与从边界附近开始时相比，在边界壁上丢失光子的概率会降低。
研究人员成功绘制了边缘爆发的全时演变过程，表明它恰好发生在粒子到达边界时。此外，他们还表明，即使粒子的初始位置发生变化，这种现象也是一致的。
未来工作
对非厄米系统中实时边缘突发的实验观察揭示了拓扑物理学和动力学现象之间的新相互作用。
王教授表示，这可能为该领域的研究开辟新的途径。他说：“边缘爆发的空间和光谱敏感性为利用该现象探索局部光收集或量子传感开辟了途径。”
薛教授补充道：“我们的工作为研究非厄米拓扑系统中丰富的实时动力学铺平了道路，暗示非厄米系统中可能存在其他通用标度关系。”
据研究小组介绍，边缘爆发效应可实际用于在精确位置收集光或粒子，对光子学和其他基于波的领域具有重要意义。