北京计算科学研究中心薛鹏团队在非厄米拓扑量子体系方面取得重要进展

来源：两江科技评论

原标题;Nature Physics:北京计算科学研究中心薛鹏团队在非厄米拓扑量子体系方面取得重要进展

导读

日前，北京计算科学研究中心薛鹏教授团队与合作者在非厄米拓扑量子系统的研究中取得重要进展。他们在实验上首次观测到非厄米趋肤效应，并证实了非厄米体边对应关系。这一成果涵盖了非厄米系统，拓扑相变，量子模拟等近年来量子物理和凝聚态物理领域的重要前沿方向,是非厄米拓扑研究方面的基础性进展,对新奇拓扑序的量子模拟及全面理解开放体系拓扑现象有重要意义。

研究背景

在以固态拓扑材料为代表的传统拓扑物相中, 体边对应关系把定义于拓扑物质体态的拓扑不变量与出现在其边界上的稳定边缘态联系起来, 是传统拓扑物态研究的基本原则. 近年来，随着对开放体系拓扑现象, 尤其是对非厄米体系拓扑序的理论研究, 人们发现在一大类非厄米拓扑体系中,传统的体边对应关系不再成立. 在这类体系中, 体边对应关系的失效伴随着非厄米趋肤效应, 即所有体态与拓扑边缘态均局域在体系边界附近. 非厄米趋肤效应体现了非厄米体系与厄米体系的一个关键区别，对于理解非厄米拓扑物态至关重要。 由于非厄米趋肤效应的存在, 体态的主要性质无法在标准的拓扑能带理论框架下描写，体边对应原理也需要随之作出基本修正。根据理论研究，非厄米拓扑体系的边缘态须由全新的广义体边对应原理来刻画。

创新研究

薛鹏团队及合作者在这一背景下, 在单光子量子行走的物理平台上, 实现了对具有趋肤效应的非厄米拓扑体系的动力学量子模拟。

图1 实验装置图

他们通过巧妙的实验方案设计, 观测到非厄米趋肤效应及稳定的拓扑边缘态。 他们理论计算了定义在广义布里渊区(generalized Brillouin zone)上的新型拓扑不变量，发现其数值与实验观测到的边缘态特征完全一致， 明确体现了非厄米体边对应原理。 实验首次在量子体系中观测到非厄米趋肤效应及非厄米体边对应关系, 是进一步探索非厄米体系拓扑效应的实验基点. 这一成果迈出了理解开放系统的拓扑性质及非厄米动力学演化的重要一步， 对基于相关物理平台的非厄米拓扑量子物理研究有启发和推动作用。

图2 非厄米趋肤效应(non-Hermitian skin effect)的示意图和实验数据图。

这项研究是该团队继理论设计并实验实现宇称时间对称的量子行走，观测新型拓扑边界态[Nat. Phys. 13, 1117 (2017)]，直接测量量子行走拓扑不变量[Phys. Rev. Lett. 119, 130501 (2017)]，模拟多体拓扑系统的非厄米动力学量子相变[Phys. Rev. Lett. 122, 020501 (2019)]，观测非厄米动力学的光斯格明子结构[Nat. Commun. 10，2293 (2019)]，以及观测宇称时间对称的临界现象[Phys. Rev. Lett. 123, 230401 (2019)]（详情见公众号今日第二篇推送）之后，在非厄米系统新奇物性研究方面取得的又一重要成果。

研究成果《Non-Hermitian bulk-boundary correspondence in quantum dynamics》于2020年3月16日以研究长文(article)形式在线发表在《自然·物理》(Nature Physics)上。该论文的理论合作者为清华大学高等研究院汪忠研究员和中国科学技术大学易为教授，北京计算科学研究中心的肖磊和中国科学技术大学的邓天舒为共同第一作者。该成果得到了国家自然科学基金和北京计算科学研究中心启动基金的支持。