5月31日，国际权威期刊《Science》刊登了中国科学技术大学杜江峰院士领导的研究团队的最新成果。他们在世界上首次观察到宇称时间对称。这个观测方法及其过程突破了传统量子体系中对量子系统的调控方法，加深了量子系统相互作用的理解，有助于人们更好认识微观世界的奇妙性质。

四方上下曰宇，往古来今曰宙。浩渺的宇宙中有无数普通或者奇妙的对称性。而代表空间的宇和代表时间的宙，本身也是一对对称性。如果物质同时满足时间和空间对称，科学家就认为他们满足宇称时间对称。为了研究物质的各种奇妙特性，科学家们会用各种方法调控出宇称时间对称状态。

经典物理世界中已经实现了对宇称时间对称状态的调控。但是在量子世界，则是一个巨大的难题。量子力学的理论决定了实现量子体系中的宇称时间对称状态路径非常狭窄困难。打个比方，量子力学的世界里，小莉要变成一个和当前的自己时间和空间都对称的自己，需要走过一条荆棘遍地，狭窄泥泞的道路。作为一个赤手空拳的小姑娘小莉，几乎是不可能完成的任务。

杜江峰院士实验室近年来一直专注于单自旋体系的量子控制研究。荣星老师和伍旸博士调控金刚石中的一个氮-空位缺陷中的电子自旋作为系统比特，他们巧妙的加入核自旋做为辅助比特，实现了电子自旋的宇称时间对称调控，完成了这个领域“零的突破”。聪明的物理学家们构建出一个特殊的小世界，还造出了一个小明，小明牵着小莉的手，带他走上一条完全不同的路，尽管这条路曲折离奇，但是隐含着对称性。

图：杜江峰团队通过量子调控，巧妙加入核自旋辅助比特“小明”，引导着小莉完成美妙的双人舞蹈，实现了量子世界中的宇称时间对称构建。（王国燕、陈磊设计）

杜江峰院士评价：“这项工作为进一步研究非传统量子体系所描述的新奇物理奠定了坚实的基础。” 

论文作者荣星撰写的述评

(下文经授权转载自ScienceAAAS)

自旋的“双人舞”：观测到宇称时间对称性破缺

量子力学的建立是20世纪物理学的革命性突破之一。量子力学的发现彻底改变了人类对微观世界的认识，揭示了原子分子的内部运动规律。基于对物质运动规律的深刻理解和实验手段的巨大进步，人类已从对微观量子世界的观察、解释阶段逐步进入到主动调控时代。中国科学技术大学杜江峰院士领导的中科院微观磁共振重点实验室的荣星等人通过对金刚石量子比特的高精度量子操控，首次在单自旋体系中观测到宇称时间对称性破缺。

根据量子力学，量子体系状态的演化由哈密顿量决定。而哈密顿量的厄米性决定了体系的能量本征值为实数。然而，Bender于1998年提出一类满足宇称时间对称性的非厄米哈密顿量亦可保证能量本征值为实数。这一理论的提出极大的拓展了量子力学的范畴，使其可以刻画包括开放系统在内更普遍的对象的演化规律。但是通常的量子体系受厄米哈密顿量所支配，要在其中实现宇称时间对称哈密顿量的演化具有巨大挑战。

在这项研究工作中，研究人员们通过引入了一个辅助比特，在量子系统中实现了非厄米哈密顿量支配下的演化。更为重要的是，该方法对非厄米哈密顿量本身没有任何限制，包括任何维度及含时演化，均只需要消耗一个辅助比特的代价来实现。基于此方案，研究人员们将金刚石中的一个氮-空位缺陷中的电子自旋用作系统比特，一个核自旋作为辅助比特。通过课题组前期发展的精确自旋量子调控，实现两个自旋的协同调控，好比指挥自旋跳起了“双人舞”，使得电子自旋能够完成“单人舞”通常没法实现的功能，譬如实现了宇称时间对称哈密顿量下的演化。实验结果首次展示了单自旋量子态在宇称时间对称哈密顿量支配下的演化。并且通过调节哈密顿量的参数，可以清晰地观测到对称性从未破缺到破缺的相变过程（如图所示）。

图：实验观测到宇称时间对称性破缺。A, B分别为宇称时间对称哈密顿量H_PT本征能量E₊的实部和虚部。哈密顿量在其标志性参数0<r<1的区域，宇称时间对称性未破缺，能量本征值为实数；在r>1的区域，宇称时间对称性破缺，能量本征值为虚数；r=1处为相变点。（图来源于《科学》文章正文）

这项工作使得量子调控从基于厄米哈密顿量走向非厄米情形，开启了实验研究非厄米量子力学的新篇章。研究人员十分期待这项成果应用于在各种量子体系并在量子力学基础问题研究中取得新的突破。

评述论文：Observation of parity-time symmetry breaking in a single-spin system（Science 31 May 2019: Vol 364, Issue 6443）

（点击下方“阅读原文”阅读论文）

荣星

中国科学技术大学物理学院特任研究员，中科院青促会成员。

毕业中学：江苏省无锡市第一中学

2005年中国科学技术大学少年班学院理科实验班本科毕业，2011年中国科学技术大学物理学院博士毕业。扎根国内发展磁共振技术与装备，并将其应用到量子信息、生命科学以及粒子物理等前沿学科中。

杜江峰

中国科学院院士，中国科学技术大学教授。现任中国科学技术大学副校长、物理学院执行院长。

毕业中学：江苏省天一中学

1985年考入中国科学技术大学少年班，1990年毕业于中国科学技术大学近代物理系，1997年和2000年分别获硕士和博士学位。2015年当选为中国科学院院士。主要从事量子物理及其应用的实验研究。曾获国家自然科学二等奖、教育部自然科学奖一等、中国物理学会黄昆物理奖、中国分析测试协会科学技术奖特等奖等。

这是2019年中国科学技术大学在CNS（国际公认的三大顶尖学术期刊Cell、Nature、Science的简称）发表的第九篇论文。

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杜江峰院士团队今年利用量子调控实现的另一成果：肝癌细胞拍出“超清写真” 中国科大成功实现细胞原位纳米磁成像技术

来源：中科院微观磁共振重点实验室、物理学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心、中科院量子信息与量子科技创新研究院、科研部、ScienceAAAS

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