【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，物理學(xué)權(quán)威期刊《物理評論快報》(Physical Review Letters)在線刊發(fā)物理學(xué)院呂新友教授及其合作者的兩項重要研究成果。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。
 

　　對稱性是物理學(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結(jié)構(gòu)解析，到量子相變、拓撲物態(tài)分類等前沿問題的研究，對稱性始終貫穿于物理學(xué)發(fā)展的各個層面。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，因其宇稱對稱性的存在，使其在量子動力學(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稱性和拓撲保護機制，成為了刻畫拓撲相與邊緣態(tài)的重要范例。這些經(jīng)典模型所蘊含的對稱性不僅深刻影響系統(tǒng)的能譜結(jié)構(gòu)與動力學(xué)行為，也為調(diào)控復(fù)雜系統(tǒng)中的量子態(tài)演化與能量輸運提供了理論基礎(chǔ)，其在量子光學(xué)、量子相變、臨界動力學(xué)以及新型量子器件設(shè)計中具有廣泛的應(yīng)用前景。
 

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

　　在第一項研究中，研究人員理論探究了由二能級系統(tǒng)構(gòu)成的量子充電器與量子電池在呈現(xiàn)拓撲特性的光子波導(dǎo)環(huán)境中的能量轉(zhuǎn)移機制。該研究成果為克服量子電池在實際應(yīng)用中長期面臨的兩大挑戰(zhàn)——遠距離能量傳輸效率低與對環(huán)境耗散的敏感性——提供了有力的理論支撐。研究團隊發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)處于拓撲非平庸相時，能量可實現(xiàn)遠距離完美傳輸；相反在拓撲平庸相中，能量則幾乎完全被局域化(圖1a所示)。更為重要的是，即便拓撲光子波導(dǎo)中存在單子格耗散，能量仍可實現(xiàn)完美傳輸(圖1b所示)。這一研究為設(shè)計具備拓撲保護特性的高性能量子電池提供了堅實的理論基礎(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)，實驗?zāi)M了一個高度可控的擴展量子拉比模型，實現(xiàn)了超強耦合區(qū)與深強耦合區(qū)的精確調(diào)控。一方面，研究團隊提出并實現(xiàn)了一種直接探測系統(tǒng)對稱性的方法。實驗發(fā)現(xiàn)，在保持宇稱對稱性時，系統(tǒng)中出現(xiàn)奇數(shù)階邊帶躍遷禁戒現(xiàn)象；而破缺對稱性后，該禁戒特性消失。該方法不僅有效覆蓋超強至深強耦合區(qū)，還具有跨物理平臺的推廣潛力；另一方面，實驗還觀察到系統(tǒng)基態(tài)的糾纏和量子疊加等現(xiàn)象與系統(tǒng)宇稱對稱性之間的重要關(guān)聯(lián)。此外，在深強耦合區(qū)，當(dāng)參數(shù)跨越對稱性轉(zhuǎn)變臨界點時，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量和比特相干性研究等方面有潛在應(yīng)用價值。該研究為探索對稱性調(diào)控的量子現(xiàn)象及其在高精度量子技術(shù)中的應(yīng)用開辟了新途徑。
 

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