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现代工学院张利剑教授课题组首次实现三能级量子系统几何特性的完整观测

时间:2020-10-20浏览:0

近日,现代工学院张利剑教授课题组与香港科技大学曾蓓教授、美国爱荷华州立大学潘耀东教授、香港理工大学施能圣教授等合作,首次在实验上对三能级量子系统几何特性进行了完整观测,相关成果"Observing Geometry of Quantum States in a Three-Level System"发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters 125, 150401 (2020), DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.150401)。

jiheshiwomenlijiewulishijiedeyizhongzhongyaofangfa。suizheliangziwulixuedefazhan,jihefangfayichengweiguanceliangzixitongfeijingdianxingweiheqiyitexingdegongju,yinciduiliangzixitongdejihetexingdeyanjiu,wulunshiduiliangzilixuejichuyanjiuhaishiliangzixinxichuliyingyongdoujuyouzhongyaoyiyi。yiernengjiliangzixitong(liangzibite,qubit)weili,qiliangzitaikongjiankeyousanweioujilidekongjianzhongdedanweiqiulaimiaoshu,yejizhumingdeblochqiu。yinci,liangzixinxichulizhongduiqubitliangzitaidezhibei、yanhuajiceliangdoukezaiblochqiuzhongshixiankeshihuadejihemiaoshu。raner,duiyugenggaoweiliangzixitong,qiliangzitaikongjianjiegougengjiafuza,hennanjinxingzhiguandijieshiheyanjiuqijihexingzhi。muqianduisannengjiliangzixitong(qutrit)dejihexingzhishangqiequefalijie,zheiyezhiyueleduigaoweiduliangzixinxichulijishudejinyibuyanjiuheliyong。

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图1 三能级量子系统的联合数值域实验观测结果。(a-h)分别为8类不同的三能级量子系统态空间投影结果,也即联合数值域。红色点代表实验数据点,e和s和分别刻画了几何体表面的椭圆面数量及线段数量。

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图2 8类具有不同几何特征的可观测量组成对应系统哈密顿量的基态和第一激发态能级结构图。

此外,该团队还阐释了联合数值域表面的几何特征与系统基态简并之间的内在联系。对每一类联合数值域,其表面态对应于三个算符线性组合构成的哈密顿量的系统基态,而其几何特征(椭圆及线段)对应于系统哈密顿量的简并点,由实验测量结果计算得到的系统能量与哈密顿量基态能量的理论值呈现很好的符合(图2)。其中椭圆对应哈密顿量的锥形简并,而线段则对应于Λ形简并,基态能量只沿某个特定参数方向不连续。在热力学极限下,量子系统的基态简并与量子相变密切相关。因此,联合数值域构成的几何体也可被看作是系统量子相的几何表示,可用于研究高维量子系统的基态简并、对称性破缺等量子特性。因此,该工作也为探索量子系统性质提供了一种有效的几何方法。

买球官网博士研究生谢杰和张傲男为该论文共同第一作者,张利剑教授和曾蓓教授为论文的共同通讯作者,物理学院徐平教授、爱荷华州立大学潘耀东教授和香港理工大学Nung-Sing Sze教授为论文买球做出重要贡献与支持,买球官网为论文第一单位。该研究受到国家重点研发计划(2019YFA0308704、2017YFA0303703)、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金等项目资助,以及人工微结构科学与技术协同创新中心、固体微结构物理国家重点实验室等平台的大力支持。

买球lunwenlianjie:http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/physrevlett.125.150401

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