【期刊】非厄米物理前沿 (I) | 《物理学报》专题
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传统量子力学所描述的系统通常是独立并且与外界没有相互作用的理想系统，这就要求哈密顿量为厄米算符以保证系统随时间演化的幺正性以及能谱的完全实数性。然而在实际工作中，由于非厄米哈密顿量描述的简便性，其被技术性的引入描述一些唯象理论。如 Herman Feshbach提出投影算符理论应用于核物理的研究。非厄米哈密顿量也可在量子光学中描述耗散过程，在量子化学中描述化学反应过程等。非厄米哈密顿量在描述开放系统中衰减机制、有限的特征时间以及退相干等现象时取得了巨大的成功，但是由于它所带来的复数本征值，其依然被大家认为是非物理的。二十世纪九十年代，Bender和 Boettcher发现具有宇称-时间反演 (PT)对称性的非厄米算符依然可以具有完全实数的能谱，即可观测量为实数。这一所谓的“非物理公认”被推翻。随后很多研究者致力于非厄米系统的研究，发现了非厄米系统中独有的奇异点、PT 对称相变、几率震荡等诸多新奇物理性质和现象。基于傍轴近似下麦克斯韦方程与薛定谔方程的类比，研究者们在光学系统中成功地仿真了非厄米哈密顿量。非厄米量子力学的基本理论在光学平台上得到了有效的检验。这些基础性工作极大地促进了非厄米理论与实验的快速发展。
除了静力学上的特殊性质，非厄米系统还表现出许多在厄米系统中从未出现过的特殊动力学行为，其中一个显著特征是奇异点动力学。奇异点是非厄米系统特有的能谱简并结构，其对应的本征态出现合并，导致不完备的希尔伯特空间。狄拉克几率不守恒以及奇异点的存在造就了非厄米系统不同于厄米系统的特殊动力学行为。奇异点相关的非平衡物理在单体系统中得到了深入的研究，在多体系统中也有涉及。非厄米性和相互作用之间的结合必定会产生奇异的量子多体效应，并且可以极大地改变厄米物理中已经确立的宏观行为。
非厄米物理广泛存在于包括光学、声学、经典波、冷原子、凝聚态体系等物理系统中，其中具有许多超出厄米系统范式的新颖物理性质，因此对非厄米新奇物性的深入理解和精准调控可以为非厄米物理在各类系统中的应用奠定基础。近十年，这一领域取得了许多令人瞩目的研究成果，国内外许多优秀的科研团队做出了卓越的研究成果。相关研究成果不仅具有重要的学术价值，同时也从一定程度上引领了物理学的发展以及未来科技进步的方向。基于此，本专题特别邀请了活跃在该领域的专家学者，从不同的物理系统，多方面的视角去介绍该领域的研究背景、相关重要研究问题以及未来可能的发展方向，希望本专题可以对感兴趣的读者有所裨益。
刘伍明，中国科学院物理所研究员，博士生导师，国家杰出青年基金获得者，国家重点基础研究发展计划首席科学家，国家重点研发计划 “量子调控与量子信息”重点专项首席科学家。研究领域为原子分子物理、光物理和凝聚态物理中的新奇量子现象。发展可积模型、量子场论等解析方法和团簇动力学平均场方法等数值方法，研究具有自旋-轨道耦合、非厄米、强关联、无序效应等量子多体系统的基态、激发态、拓扑态的精确解及其奇异性质。在SCI收录的刊物上发表论文 435 篇，综述文章 20 篇，英文专著 5 部，获发明专利 5 项。被 SCI引用 15,500 次，H 因子 65。
金亮，南开大学教授，博士生导师。主要从事非厄米物理系统的性质、动力学、及应用的理论研究，包括离散非厄米系统、非厄米光子学、非厄米拓扑等。在Nature Communications，Physical Review Letters/A/B/Research，Chinese Physics Letters 等SCI期刊发表论文60余篇。
闫振亚，中国科学院数学与系统科学研究院研究员，博士生导师。主要研究数学物理和可积系统及多学科交叉应用，包括怪波、非厄米PT对称、RH问题、符号-数值计算和PDE机器学习等，承担国家杰出青年基金等项目。
专题文章
高维宇称-时间对称系统中的信息恢复与临界性
曲登科，范毅，薛鹏
物理学报.2022, 71 (13): 130301.
doi: 10.7498/aps.70.20220511
原文链接:
https://wulixb.iphy.ac.cn/fileWLXB/journal/article/wlxb/2022/13/PDF/13-20220511.pdf
摘要：近期，满足宇称-时间对称性的非厄米系统的研究取得了令人印象深刻的进展，如物理系统拓扑性质和奇异点处临界性的观测。宇称-时间对称的非幺正动力学的一个至关重要的方面就是系统与环境之间的信息流动。本文利用量子态间的可区分性这一物理量，统一量化了低维与高维宇称-时间对称的非厄米系统和环境之间的信息流动。数值计算结果表明，在宇称-时间对称性保持的相区域可以观测到量子态间可区分性的振荡以及完全的信息恢复。然而在宇称时间对称性破坏的相区域，信息处于指数衰减的状态。奇异点处标志着信息流动的可逆与不可逆的临界性，量子态间的可区分性表现出幂律衰减的行为。理解非幺正量子动力学中的这些独特的现象为研究开放量子系统提供了重要视角，并且有助于其在量子信息中的应用。
非厄米镶嵌型二聚化晶格
侯博，曾琦波
物理学报.2022, 71 (13): 130302.
doi: 10.7498/aps.71.20220890
原文链接:
https://wulixb.iphy.ac.cn/fileWLXB/journal/article/wlxb/2022/13/PDF/13-20220890.pdf
摘要：非厄米系统近年来受到了物理学相关领域研究人员的大量关注。非厄米因素的存在往往会带来许多在厄米系统中不存在的新奇效应。本文引入一类新的非厄米晶格系统—非厄米镶嵌型二聚化晶格。在这一模型中，交替变化的非对称跃迁被等间距地施加在某些相邻格点的跃迁项中。研究结果表明，随着非对称跃迁强度的增大，系统在开边界条件下的能谱会从实数变为复数。此外，系统中的非厄米趋肤效应和不同边界条件下的能谱性质会受到镶嵌型调制周期的影响。当这一调制周期为奇数时，系统中不存在非厄米趋肤效应，且其能谱在开放和周期边界条件下是一样的（拓扑边界态除外）；而当镶嵌型调制周期为偶数时，系统中存在非厄米趋肤效应，且其能谱在不同的边界条件下具有完全不同的结构。本文进一步研究了这类系统中的拓扑零能边界态，并计算了Berry相位对其进行表征。本研究揭示了镶嵌型非对称跃迁对系统性质的影响，拓展了非厄米系统这一领域的相关研究。
两量子比特系统中相互作用对高阶奇异点的影响
施婷婷，张露丹，张帅宁，张威
物理学报.2022, 71 (13): 130303.
doi: 10.7498/aps.70.20220716
原文链接:
https://wulixb.iphy.ac.cn/fileWLXB/journal/article/wlxb/2022/13/PDF/13-20220716.pdf
摘要：近年来，与环境耦合的非厄米开放系统成为人们研究的热点。非厄米体系中的奇异点会发生本征值和本征态的聚合，是区分厄米体系的重要性质之一。在具有宇称-时间反演对称性的体系中，奇异点通常伴随着对称性的自发破缺，存在很多值得探究的新奇物理现象。以往的研究多关注无相互作用系统中的二阶奇异点，对具有相互作用的多粒子系统，及其中可能出现的高阶奇异点讨论较少，特别是相关的实验工作尚未见报道。本文研究了具有宇称-时间反演对称性的两量子比特体系，证明了该体系中存在三阶奇异点，并且量子比特间的伊辛型相互作用能够诱导体系在三阶奇异点附近出现能量的高阶响应，可通过测量特定量子态占据数随时间的演化拟合体系本征值的方法来验证。其次通过探究该体系本征态的性质，展示了奇异点的态聚合特征，并提出了利用长时间演化后稳态的密度矩阵验证态聚合的方法。此外，还将理论的两量子比特哈密顿量映射到两离子实验系统中，基于171Yb+囚禁离子系统设计了实现和调控奇异点，进而验证三阶响应的实验方案。这一方案具有极高的可行性，并有望对利用非厄米系统实现精密测量和高灵敏度量子传感器提供新的思路。
基于线性与非线性干涉仪的量子精密测量研究进展
孙思彤，丁应星，刘伍明
物理学报.2022, 71 (13): 130701.
doi: 10.7498/aps.71.20220425
原文链接:
https://wulixb.iphy.ac.cn/fileWLXB/journal/article/wlxb/2022/13/PDF/13-20220425.pdf
摘要：量子精密测量根据量子力学的基本原理，利用光、原子、磁之间的相互作用对待测物理量进行测量。随着实验条件和技术的成熟，如何利用干涉仪进一步提高位相信号这一物理量的测量精度从而打破散粒噪声的限制、突破标准量子极限并逼近海森伯极限成为研究的前沿课题。本文阐述了利用线性干涉仪(包括原子/光子干涉仪)与非线性干涉仪调用不同阶段的量子资源在测量过程中提高参数评估精度的几种方法，通过向干涉仪中输入非经典态来实现高精度测量，如压缩态、双数态、NOON态等，还介绍了为直接观测量子态而发展出的弱测量及其在非厄米系统中的应用和为消除参数之间精度制衡而提出的多参数测量。最后，对几种测量方法进行了分析比较，并展望了量子精密测量的发展前景。
实验观测非厄米系统奇异点的手性翻转现象
祝可嘉，郭志伟，陈鸿
物理学报.2022, 71 (13): 131101.
doi: 10.7498/aps.71.20220842
原文链接:
https://wulixb.iphy.ac.cn/fileWLXB/journal/article/wlxb/2022/13/PDF/13-20220842.pdf
摘要：在非厄米系统参数空间的黎曼曲面上存在简并点，此时本征值和相应的本征矢量同时合并，这些非厄米简并点也被称为奇异点。作为非厄米物理系统的相变临界态，奇异点会引起诸多违反直觉的现象，如损耗诱导透明、单向隐身以及非对称的模式转换。特别有趣的是，奇异点的本征矢量是自正交的，并且由于维度的缺失，特定非厄米系统的奇异点具有固有的手性。本文基于开口谐振环这种特殊的超构材料谐振子构造了耦合系数符号可以灵活调控的非厄米系统，并在实验上观测了非厄米系统奇异点的手性翻转现象。利用耦合系数符号的改变来实现非厄米系统奇异点的手性态调控，不仅为研究开放系统中的基本非厄米物理开辟了一条新的途径，而且在设计高效手性模式转换以及手性天线等光子器件方面具有一定的应用价值。
里德伯原子中非厄米电磁诱导光栅引起的弱光孤子偏折及其操控
高洁，杭超
物理学报.2022, 71 (13): 133202.
doi: 10.7498/aps.71.20220456
原文链接:
https://wulixb.iphy.ac.cn/fileWLXB/journal/article/wlxb/2022/13/PDF/13-20220456.pdf
摘要：基于里德伯-电磁感应透明系统实现了具有宇称-时间对称的电磁感应诱导光栅，并研究了系统中探测光场在到达光栅前形成孤子的过程以及经过光栅时引起的偏折现象。发现由于里德伯-电磁感应透明系统具有很强的非线性光学效应，因此只需要很少的输入探测光能量就能形成稳定的光孤子。此外还发现，通过改变电磁感应诱导光栅的增益/损耗系数、光栅周期、以及体系的克尔非线性非局域度都可以有效地改变探测光孤子的偏折程度和状态，实现对弱光孤子偏折的主动操控。本文的研究结果可为未来利用宇称-时间对称的电磁感应诱导光栅实现全光控制和光信息处理等相关应用提供一定的理论依据。
专题文章网站链接：
http://wulixb.iphy.ac.cn/custom/topics
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