【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，物理學(xué)權(quán)威期刊《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)在線(xiàn)刊發(fā)物理學(xué)院呂新友教授及其合作者的兩項(xiàng)重要研究成果。兩篇論文分別題為“”Topological Quantum Batteries”和“Experimental Observation of Parity-Symmetry-Protected Phenomena in the Quantum Rabi Model with a Trapped Ion”。前者由華中科技大學(xué)物理學(xué)院2022級(jí)博士研究生盧志廣為論文第一作者，呂新友與日本理化學(xué)研究所博士后尚程為論文共同通訊作者。后者則由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士研究生趙興宇和四川大學(xué)特聘副研究員賓倩為該論文共同第一作者，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)林毅恒教授和呂新友為論文共同通訊作者。
 

　　對(duì)稱(chēng)性是物理學(xué)的核心概念之一，既是諸多理論體系的基石，也在基礎(chǔ)研究與實(shí)際應(yīng)用之間發(fā)揮著關(guān)鍵紐帶作用。從氫原子光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)解析，到量子相變、拓?fù)湮飸B(tài)分類(lèi)等前沿問(wèn)題的研究，對(duì)稱(chēng)性始終貫穿于物理學(xué)發(fā)展的各個(gè)層面。例如，量子拉比模型作為描述光與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典模型，因其宇稱(chēng)對(duì)稱(chēng)性的存在，使其在量子動(dòng)力學(xué)與量子態(tài)選擇規(guī)則中起到關(guān)鍵作用；而Su-Schrieffer-Heeger模型則因其具有手性對(duì)稱(chēng)性和拓?fù)浔Ｗo(hù)機(jī)制，成為了刻畫(huà)拓?fù)湎嗯c邊緣態(tài)的重要范例。這些經(jīng)典模型所蘊(yùn)含的對(duì)稱(chēng)性不僅深刻影響系統(tǒng)的能譜結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)行為，也為調(diào)控復(fù)雜系統(tǒng)中的量子態(tài)演化與能量輸運(yùn)提供了理論基礎(chǔ)，其在量子光學(xué)、量子相變、臨界動(dòng)力學(xué)以及新型量子器件設(shè)計(jì)中具有廣泛的應(yīng)用前景。
 

圖1：(a)遠(yuǎn)距離的高效能量傳輸；(b)單子格耗散免疫；詳見(jiàn)論文：[1]
 

　　在第一項(xiàng)研究中，研究人員理論探究了由二能級(jí)系統(tǒng)構(gòu)成的量子充電器與量子電池在呈現(xiàn)拓?fù)涮匦缘墓庾硬▽?dǎo)環(huán)境中的能量轉(zhuǎn)移機(jī)制。該研究成果為克服量子電池在實(shí)際應(yīng)用中長(zhǎng)期面臨的兩大挑戰(zhàn)——遠(yuǎn)距離能量傳輸效率低與對(duì)環(huán)境耗散的敏感性——提供了有力的理論支撐。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)處于拓?fù)浞瞧接瓜鄷r(shí)，能量可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離完美傳輸；相反在拓?fù)淦接瓜嘀校芰縿t幾乎完全被局域化(圖1a所示)。更為重要的是，即便拓?fù)涔庾硬▽?dǎo)中存在單子格耗散，能量仍可實(shí)現(xiàn)完美傳輸(圖1b所示)。這一研究為設(shè)計(jì)具備拓?fù)浔Ｗo(hù)特性的高性能量子電池提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，有望加速其向?qū)嶋H應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。在第二項(xiàng)研究中，研究人員基于束縛離子體系中的自旋-聲子耦合系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)?zāi)M了一個(gè)高度可控的擴(kuò)展量子拉比模型，實(shí)現(xiàn)了超強(qiáng)耦合區(qū)與深強(qiáng)耦合區(qū)的精確調(diào)控。一方面，研究團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)現(xiàn)了一種直接探測(cè)系統(tǒng)對(duì)稱(chēng)性的方法。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在保持宇稱(chēng)對(duì)稱(chēng)性時(shí)，系統(tǒng)中出現(xiàn)奇數(shù)階邊帶躍遷禁戒現(xiàn)象；而破缺對(duì)稱(chēng)性后，該禁戒特性消失。該方法不僅有效覆蓋超強(qiáng)至深強(qiáng)耦合區(qū)，還具有跨物理平臺(tái)的推廣潛力；另一方面，實(shí)驗(yàn)還觀(guān)察到系統(tǒng)基態(tài)的糾纏和量子疊加等現(xiàn)象與系統(tǒng)宇稱(chēng)對(duì)稱(chēng)性之間的重要關(guān)聯(lián)。此外，在深強(qiáng)耦合區(qū)，當(dāng)參數(shù)跨越對(duì)稱(chēng)性轉(zhuǎn)變臨界點(diǎn)時(shí)，自旋的馮·諾依曼熵與聲子的Wigner函數(shù)均表現(xiàn)出顯著的響應(yīng)(圖1所示)，這一特性在量子精密測(cè)量和比特相干性研究等方面有潛在應(yīng)用價(jià)值。該研究為探索對(duì)稱(chēng)性調(diào)控的量子現(xiàn)象及其在高精度量子技術(shù)中的應(yīng)用開(kāi)辟了新途徑。
 

圖2：自旋的馮·諾依曼熵隨著對(duì)稱(chēng)性控制參數(shù)以及耦合強(qiáng)度的變化關(guān)系