中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院郭光燦院士團隊在量子傳感和宇稱-時間（PT）對稱系統(tǒng)的實驗研究中取得重要進展。該團隊李傳鋒、唐建順研究組首次實現(xiàn)了PT對稱增強型量子傳感器，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》上。

PT對稱理論是為了擴展量子力學(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對稱增強的傳感器等。一個很自然的問題是能否在量子系統(tǒng)中實現(xiàn)這些現(xiàn)象和應(yīng)用，尤其是能否利用PT對稱來增強量子傳感器的靈敏度？理論研究表明這是可行的，難點在于構(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)。

在這項工作中，研究組構(gòu)造了一個弱測量輔助的量子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)，研究組首次實現(xiàn)了PT對稱增強型量子傳感器，并研究了與提高靈敏度的最佳條件相關(guān)的各種特性。實驗結(jié)果表明，將工作點設(shè)置在PT對稱系統(tǒng)的破缺奇異點，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部和虛部，還可以得到擾動方向的信息。

（a）宇稱-時間增強型量子傳感器工作原理圖；（b）實驗結(jié)構(gòu)圖

審稿人對該工作給予了高度評價：“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（這是一個非常有趣且有意義的實驗，對非厄米物理和宇稱-時間對稱性領(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（這是一個重大的進步，因為這個工作證實了一個運行在奇異點的真正的量子傳感器是可以實現(xiàn)的。這肯定具有廣泛興趣）”。這項工作向非厄米量子傳感器技術(shù)邁進了一大步，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實驗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。