量子力学系统中Weyl例外环的拓扑特性实现与表征

研究人员通过超导量子比特与耗散谐振器的耦合系统，首次在量子力学体系中实现了Weyl例外环(WER)的拓扑结构，解决了非厄米系统中高阶奇异点拓扑特性难以观测的问题。该研究通过测量非厄米哈密顿量本征矢，提取了量子化的Berry相位和Chern数，揭示了WER诱导的拓扑相变现象，为量子拓扑器件的设计提供了新思路。

　　

在量子力学领域，传统研究通常通过隔离环境干扰来维持系统的相干性。然而近年研究发现，非厄米(NH)效应——特别是由耗散引起的奇异点(EPs)——能产生诸如模式选择性、非互易传输等新现象。其中，由二阶奇异点(EP2s)构成的Weyl例外环(WER)因其携带量子化Berry电荷和Chern数而备受关注。但此前所有WER实验均局限于经典系统，且从未观测到关键的Chern数特征。

为解决这一难题，中国研究人员利用电路量子电动力学(QED)架构，构建了包含超导量子比特(Q)和耗散谐振器(R)的Jaynes-Cummings(JC)模型。通过纵向参量调制精确调控耦合强度λ和失谐Δ，在参数空间中首次实现了量子力学版本的WER。实验系统采用T₁
≈14.3μs、T₂
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≈5.3μs的超导量子比特，在6.0 GHz空闲频率下工作。

关键技术包括：1）基于电路QED的可调耦合系统构建；2）参数空间球面流形的量子态层析技术；3）非厄米哈密顿量本征矢的Berry曲率提取方法；4）通过缩小流形尺寸诱导拓扑相变的控制策略。

【Model and Methods】
研究首先建立无耗散JC模型的哈密顿量H_S
=Δ|e??e|+λa^?
|g??e|+λ^*
a|e??g|，其中|e?/|g?为量子比特能级，a^?
/a是谐振子算符。耗散将原始的点状简并扩展为参数空间中的环形奇异结构。

【Results】
实验观测到：1）当二维球面流形完全包围WER时，测得量子化Berry相位π和Chern数±1；2）当流形半径缩小至不包围WER时，拓扑数突变为0，证实了理论预测的拓扑相变。

【Discussion and conclusion】
该研究突破性地将WER研究从经典体系拓展到量子领域，首次完整表征了其拓扑不变量。所发现的拓扑相变机制为基于非厄米效应的量子调控提供了新范式，对开发具有奇异响应的量子器件具有重要意义。论文由郑仕标团队完成，发表在《Science Bulletin》上。