麻省理工学院
描述:麻省理工学院量子工程组的仪器装置，用于研究金刚石晶体中量子位的动态对称性信用:汪国卿/麻省理工学院
物理学家和工程师长期以来一直对创造新的物质形式感兴趣，这些物质通常在自然界中找不到
例如，这种材料有朝一日可能会用于新型计算机芯片
除了应用之外，它们还揭示了关于宇宙基本运作的难以捉摸的见解
麻省理工学院最近的工作创造并表征了新的量子系统，展示了动态对称性——周期性重复的特殊行为，就像一个形状随着时间折叠和反射
“我们需要解决两个问题，”核科学与工程教授Paola Cappellaro实验室的研究生李昌浩说
李最近与卡佩拉罗和研究生一起在《物理评论快报》上发表了这项研究
“第一个问题是，我们需要设计这样一个系统
第二，我们如何描述它？我们如何观察这种对称性？" 具体来说，该量子系统由直径约1毫米的金刚石晶体组成
该晶体包含许多由晶格间隙附近的氮原子引起的缺陷——所谓的氮空位中心
就像一个电子一样，每个中心都有一个称为自旋的量子属性，有两个离散的能级
因为这个系统是一个量子系统，自旋不仅可以在其中一个能级中找到，而且可以在两个能级的组合中找到，就像薛定谔的理论猫，它可以同时活着和死去
系统的能级由其哈密顿量定义，研究人员通过微波控制设计了哈密顿量的周期时间依赖性
如果系统的哈密顿量不仅在每个时间周期t之后是相同的，而且在例如每个t/2或t/3之后也是相同的，例如将一张纸对折或对折，这样就不会有任何部分突出来，则称该系统具有动态对称性
北京计算科学研究所的博士后乔治·恩格尔哈特没有参与这项工作，但他自己的理论工作是这项工作的基础，他将对称性比作吉他谐波，在吉他谐波中，弦可能以100赫兹和50赫兹振动
为了诱导和观察这种动态对称性，麻省理工学院团队首先用激光脉冲初始化了系统
然后，他们将各种选定频率的微波辐射对准它，让它进化，让它吸收和发射能量
“令人惊讶的是，当你加上这样的驾驶时，它会表现出一些非常奇特的现象，”李说
“它会有一些周期性的抖动
“最后，他们向它发射了另一个激光脉冲，并测量了它发出荧光的可见光，以测量它的状态
测量只是一个快照，所以他们多次重复实验，拼凑出一种活页本来描述它跨时间的行为
在物理学中扮演重要角色的动态对称性是由一个尖端的量子信息处理工具包设计和表征的
信用:图片由研究人员提供
恩格尔哈特说:“令人印象深刻的是，他们可以证明他们对量子系统有这种不可思议的控制。”
“解这个方程相当容易，但在实验中实现这一点相当困难
" 至关重要的是，研究人员观察到哈密顿量的动态对称性——系统能级的谐波——决定了一种状态和另一种状态之间可能发生的跃迁
“这项工作的新奇之处，”王说，“还在于我们引入了一种工具，可以用来表征任何量子信息平台，而不仅仅是钻石中的氮空位中心。”
它是广泛适用的
“李指出，他们的技术比以前的方法更简单，以前的方法需要恒定的激光脉冲来驱动和测量系统的周期性运动
一个工程应用是在量子计算机中，量子计算机是操纵量子位的系统，量子位不仅可以是0或1，还可以是0和1的组合
钻石的自旋可以在其两个能级中编码一个量子位
量子位很微妙:它们很容易分解成简单的位，1或0
或者量子位可能变成0和1的错误组合
“这些测量动态对称性的工具，”恩格尔哈特说，“可以用来作为一个健全的检查，证明你的实验是正确的，并且具有非常高的精度。”
“他注意到量子计算机中的外部扰动问题，他将其比作一把去调谐的吉他
通过调整弦的张力——调整微波辐射——使得谐波符合一些理论上的对称性要求，人们可以确信实验是完美校准的
麻省理工团队已经将目光放在了这项工作的扩展上
“下一步是将我们的方法应用于更复杂的系统，研究更有趣的物理，”李说
他们的目标是两个以上的能级——三个、十个或更多
随着能级的增加，它们可以代表更多的量子比特
“当你有更多的量子比特时，你就有了更复杂的对称性，”李说
“你可以用我们的方法来描述它们
"
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