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非厄米皮肤效应（NHSE）与多体动力学的相互作用亟待探索。新加坡国立大学等机构的研究人员，在通用量子处理器上观测 NHSE 及其多费米子类似物。这为非厄米晶格的量子模拟提供重要进展，有望拓展到更多复杂多体模型。
在量子物理的奇妙世界里，非厄米现象近年来吸引了众多科研人员的目光。非厄米皮肤效应（NHSE）作为其中的关键部分，极大地拓展了量子物理的研究边界，它挑战了传统拓扑体边对应（BBCs）的认知，还催生了光谱拓扑的新理论。然而，这个领域仍存在诸多谜团。虽然 NHSE 在一些经典材料和超冷原子阵列中已被证实，但它与多体动力学之间的相互作用，一直是实验研究的空白区域。而且，实现许多新奇的非厄米现象面临重重困难，尤其是在构建涉及量子相互作用和非厄米性的实验时，现有技术手段难以满足需求。超冷原子晶格虽为研究多体现象提供了新平台，但在原子相互作用控制和长程相互作用实现方面存在局限。因此，寻找新的研究途径迫在眉睫。
在这样的背景下，新加坡国立大学（National University of Singapore）和南洋理工大学（Nanyang Technological University）的研究人员 Ruizhe Shen、Tianqi Chen 等人开展了一项极具意义的研究。他们利用通用量子计算机的强大功能，在有噪声的中等规模量子（NISQ）处理器上，成功实现了对 NHSE 及其多费米子 “费米皮肤” 分布的观测。这一成果发表在《Nature Communications》上，为该领域的研究开辟了新的方向。
为了完成这项研究，研究人员运用了多种关键技术方法。首先，在模拟非厄米演化时，他们采用了基于辅助量子比特（ancilla qubits）的后选择方法，将非幺正算符嵌入更大的幺正算符中，从而实现非厄米哈密顿量的演化。其次，为了应对 NISQ 设备中噪声和退相干的问题，他们运用变分量子算法（VQAs）优化电路，减少电路深度，降低噪声影响。此外，还采用了读出误差缓解（readout error mitigation）方法，提高测量结果的准确性。
研究结果主要体现在以下几个方面：
- NHSE 和费米皮肤的动力学特征：NHSE 表现为所有状态沿晶格耦合不对称方向的大量泵浦，单粒子情况下，波包会向一个方向不对称放大并在边界积累；多体情况下，由于泡利不相容原理（Pauli exclusion），会形成类似真实空间 “费米面” 的 “费米皮肤”，其密度分布类似于具有有效 “温度” 的费米 - 狄拉克（Fermi–Dirac）分布。当 NHSE 强度较弱或模型具有非平凡的单位晶胞时，费米皮肤的轮廓可能会出现扭结。在粒子间相互作用较强时，还会出现体费米皮肤（bulk Fermi skin）现象，其密度积累方向可能与非互易耦合方向相反。
- 非厄米演化的量子电路实现：研究人员通过 Trotterization 和后选择方法，在量子计算机上演示了单粒子 NHSE 和多费米子情况下费米皮肤的出现。对于 Hatano–Nelson（HN）模型，采用全局辅助量子比特的方法实现非幺正演化；对于非厄米 Su–Schrieffer–Heeger（SSH）模型，则采用局部分解的方法，为每个局部非厄米键分配一个辅助量子比特。同时，利用变分量子算法优化电路，减少了电路深度和 CX 门的数量，降低了噪声影响。
- 测量的 NHSE 动力学行为：在 IBM 量子处理器上，研究人员对 HN 和非厄米 SSH 哈密顿量进行时间演化操作，首次在数字量子设备上观测到了显著的 NHSE 时间演化特征。在单粒子 NHSE 泵浦实验中，对比非厄米开启和关闭时的情况，发现 NHSE 导致状态向边界显著泵浦，通过测量密度质心的演化进一步证实了这一点。在多费米子 NHSE 实验中，观测到了费米皮肤密度分布的出现，通过对不同强度 NHSE 下的半填充初始态进行模拟，发现较强 NHSE 时费米子强烈局域化，时间平均空间费米子密度更清晰地显示出费米皮肤的特征。此外，还通过引入最近邻相互作用，观测到了体费米皮肤的出现，相互作用抑制了不对称传播，使费米子在体中稳定，形成体费米皮肤。
研究结论表明，该研究成功在 NISQ 时代的量子计算机上展示了 NHSE 及其多费米子费米皮肤分布。量子电路中嵌入非幺正组件的方法为非厄米哈密顿量的量子模拟提供了有前景的可扩展途径。这一研究成果不仅适用于模拟涉及多体统计和相互作用的非厄米现象，还展示了变分优化技术在量子模拟中的巨大潜力。未来，基于量子计算机的强大可编程性，该方法有望用于演示更多非厄米动力学现象，如非幺正临界性、非厄米皮肤聚类和非厄米多体局域化等，为量子物理的研究打开新的大门，推动该领域向更深层次发展。
