非 Hermitian 量子游走动力学的域壁几何。图片来源：Peng Xue 教授。
在一项新的 Physical Review Letters 研究中，科学家们展示了使用精心设计的光子量子游走装置在量子动力学中首次对非厄米特边缘爆发的实验观察。
对非厄米特系统的兴趣日益浓厚，这反映了它们在理解以耗散、与环境的相互作用或损益机制为特征的现实世界系统方面的作用。
它们揭示了埃尔米特系统中看不到的新物理学，例如边界定位，这在光子学和凝聚态物理学中可以有有趣的应用。PRL 研究的研究人员专注于非厄米特集肤效应 （NHSE），其中系统在边缘或边界处表现出独特的行为。
Phys.org 与该研究的合著者、中国科学技术大学的魏毅教授、清华大学的王忠教授和北京计算科学研究中心的薛鹏教授进行了交谈。
谈到他们研究非厄米特系统的动机，薛教授说：“其蓬勃发展的关键激励因素之一是 NHSE 的发现。NHSE 一词是由 Wang 教授和他的同事在早期的 PRL 研究中创造的，自发现以来，该团队一直在积极研究它。
易教授补充说：“虽然 NHSE 揭示了非厄米系统有趣的静态特性（例如能谱），但我们对可能存在对边界极其敏感的新型动力学现象感到非常好奇。
实时动态在非厄米特系统中，运算符不等于他们的厄米特偶联物。因此，特征值很复杂，从而产生了像 NHSE 这样独特的现象。
在 NHSE 中，非厄米特系统的特征态在边缘或边界处积累。这与 Hermitian 系统中的 bulk 属性不同。NHSE 通常见于能量增加或损失的开放系统，即哈密顿量。
以前的研究已经研究了静态条件下的这种效应，这意味着系统的属性，如哈密顿量，不会随时间而改变。然而，Wang 和他的团队专注于研究边缘动力学如何随时间变化。
“虽然以前的研究侧重于非厄米特系统的更多静态方面（例如能谱），但我们的工作揭示了一个有趣的动态现象，”王教授说。
研究实时动力学可以深入了解哈密顿量随时间演变的真实系统，反映系统能量和行为的变化。
一维量子游走为了研究非厄米特系统中的实时边缘动力学，研究人员使用了一种具有光子一维量子游走的装置。每个步骤或移动都由量子硬币翻转决定，这引入了概率运动。
量子游走动力学中非厄米特边缘爆发的实验设置。图片来源：彭雪。
边界或壁是实验装置的一部分，将系统划分为两个区域，每个区域遵循不同的量子游走规则。
光子的量子游走是在不同的光学工具的帮助下进行的，包括分束器、波片和光束置换器。
他们的目标是研究损耗机制在边界处的工作原理，为此他们使用了部分偏振分束器。这引入了光子损失，然后他们可以在光子离开系统时进行测量。
通过这种测量，他们能够确定在不同位置和时间发生的损失，从而揭示边缘的动态。此外，研究人员还探索了不同的初始条件（光子开始的位置）如何影响非厄米特系统的边缘动力学。
边缘动力学研究人员检测到边界处光子损失的概率增加，证实了非厄米特边缘爆发的存在。然而，他们发现这只有在同时满足两个条件时才会发生。
第一个条件是必须存在非厄米特集肤效应，即特征态在边缘附近积累。其次，必须弥合能谱中的虚空。这意味着能谱的实部和虚部之间的差异减小。
同时满足这两个条件的必要性突出了静态定位 （NHSE） 和动态进化 （虚隙） 之间的相互作用。
易教授解释说：“这些现象提供了关于体状和尖锐特征的非厄米拓扑（包括静态和动态）在边界处的对应关系的完整视图。
他们还得出结论，照片的初始位置在边缘爆发变得明显方面起着一定的作用。与在边界附近开始时相比，当光子从边界附近开始时，当光子从边界更远处开始时，光子在边界壁上丢失光子的概率会降低。
研究人员成功地绘制了边缘爆发的全时演变图，表明它恰好发生在粒子到达边界时。此外，他们表明，即使粒子的初始位置发生变化，现象也是一致的。
未来的工作对非厄米特系统中实时边缘爆发的实验观察揭示了拓扑物理学和动力学现象之间的新颖相互作用。
王教授认为，这可能为该领域的研究开辟新的途径。他说：“边缘爆发的空间和光谱灵敏度为利用这种现象探索局部光收集或量子传感开辟了道路。
薛教授补充说：“我们的工作为研究非厄米拓扑系统中丰富的实时动力学铺平了道路，暗示了非厄米系统中可能存在其他通用缩放关系。
据该团队称，边缘爆发效应实际上可用于在精确位置收集光或粒子，这对光子学和其他基于波的场有影响。
更多信息：Lei Xiao 等人，量子动力学中非厄米特边缘爆发的观察，物理评论快报（2024 年）。DOI：10.1103/PhysRevLett.133.070801。在 arXiv 上：DOI： 10.48550/arxiv.2303.12831
期刊信息： Physical Review Letters ， arXiv
