量子态层析揭示耗散囚禁离子中三阶异常点的非厄米特性

研究人员通过精确调控耗散囚禁离子系统中的两个损耗通道，实现了具有PT（宇称-时间）对称性的三阶非厄米哈密顿量，首次观测到由对称性破缺诱导的三阶异常点（EP3）。该研究通过非厄米吸收光谱和量子态层析技术，证实了三个本征态在异常点的融合现象，并发现Liouvillian算符固有的EP3特征。成果为探索非厄米拓扑性质及量子信息技术应用提供了新平台。

　　

在量子力学中，厄米性（Hermiticity）长期被视为保证能量实数的基石。然而近年来，PT（宇称-时间）对称性理论的提出打破了这一传统认知——即使哈密顿量非厄米，只要满足特定对称性，系统仍可呈现实数能谱。这一发现催生了非厄米物理学的蓬勃发展，其中异常点（Exceptional Points, EPs）作为非厄米系统的独特简并点，因其在增强传感、单向隐身等领域的潜在应用备受关注。

传统研究多聚焦于二阶异常点（EP2），而更高阶的异常点（如三阶EP3）能展现更丰富的拓扑特性，但其量子系统实现面临重大挑战：需要同时精确调控多个耗散通道，并克服量子跃迁项对动力学的干扰。针对这一难题，中国科学技术大学的研究团队利用¹⁷¹Yb⁺囚禁离子平台，通过微波场耦合三个超精细能级（|0?≡|F=1,m_F=1?、|1?≡|F=0,m_F=0?和|2?≡|F=1,m_F=0?），并引入两个独立可控的耗散通道（370 nm激光B/C分别诱导|1?和|2?能级损耗），构建了同时具有PT和反PT对称性的三阶非厄米哈密顿量H_eff=ΩS_x+iγS_z-iγI₃。

关键技术方法

研究采用两种创新策略消除量子跃迁干扰：（1）通过弱耦合辅助能级|a?≡|²D_5/2,F=2,m=0?实现非厄米吸收光谱测量；（2）利用密度矩阵非对角元素演化实现纯非厄米动力学观测。结合量子态层析技术和淬火动力学实验，完整揭示了EP3的拓扑特性。

研究结果

非厄米吸收光谱验证EP3

当系统参数满足Ω=γ时，光谱测量显示三个本征值在复能谱平面同时简并（图1f）。通过能带缠绕分析（图4b），证实了EP3特有的6π周期性拓扑结构。

量子态层析观测本征态融合

制备参数化初始态|u_r(φ)?=(-e^iφ,i√2,e^-iφ)^T/2，通过测量非对角元素Δ|ρ₂₃⁽¹⁾|²的零点定位本征态（图2a）。实验数据显示，当Ω→γ时，三个本征态|ψ_±?和|ψ₀?的内积趋近于1（图2e-f），直接证实了EP3处的态融合现象。

Liouvillian EP3的发现

通过淬火非物理初始态ρ(0)=|u₁??u₁|-|u₂??u₂|，观测到密度矩阵元素ρ₁₂-ρ₀₁在Ω>γ时呈现振荡衰减（拟合函数f₁(γt)=A₁e^-2γtsin(B₁γt)），而在Ω<>₂(γt)=A₂e^-2γtsinh(B₂γt)），临界点B₁=B₂=0处对应Liouvillian算符的本征值简并（图3）。

研究意义

该工作首次在量子系统中实现了PT对称性破缺诱导的EP3，通过量子态层析技术直观展示了三阶异常点的本征态融合特性。发现的Liouvillian EP3为理解开放量子系统动力学提供了新视角。技术层面发展的双耗散通道精确调控方法，可推广至更高阶异常点的研究，对发展基于非厄米效应的量子传感器、拓扑量子计算等具有重要意义。论文发表于《Nature Communications》，同期研究显示该团队技术方案已被拓展至四阶异常点的实现。