Adv.Photon.｜合成时域晶格捕捉量子“穿墙术”

Advanced Photonics 2025年3期文章:

Lange Zhao, Shulin Wang, Chengzhi Qin, Bing Wang, Han Ye, Weiwei Liu, Stefano Longhi, Peixiang Lu, "Real-time measurement of non-Hermitian Landau–Zener tunneling near band crossings," Adv. Photon. 7, 036002 (2025)

想象一辆高速行驶的列车，在两条即将交汇的轨道间瞬间切换路径——这就是量子世界中的朗道-齐纳隧穿（Landau–Zener tunneling，LZ隧穿）。当量子系统被强外力驱动时，粒子会以“非绝热跃迁”的方式穿越能级交叉点，如同过山车在俯冲瞬间完成轨道切换。这一现象从凝聚态物理到量子计算无处不在。它既可解释半导体中电子在电场下的跃迁，也是实现量子比特操控的核心机制之一。

由于真实物理世界在不断发生着能量交换，因此对非厄米LZ隧穿系统的研究对新型量子器件的研发更具指导价值。然而，从实验上研究LZ隧穿效应的动力学过程还存在着两个难题：其一，能级交叉点附近的量子态移动速度完全一致，如同两辆并排疾驰的列车，难以分辨瞬态行为；其二，难以对具有能量耗散特性的量子系统的LZ隧穿过程进行实验或模拟。

近日，华中科技大学、东南大学和意大利米兰理工大学的联合研究团队基于合成时域晶格技术，模拟出了二能级量子系统，而且在实验上首次观测到非厄米LZ隧穿。相关成果以“Real-time measurement of non-Hermitian Landau-Zener tunneling near band crossings”为题发表在Advanced Photonics 2025年第3期。

光脉冲编织的量子沙盘

量子系统的构建通常涉及到超低温的冷原子技术，对实验条件和实验成本的要求较为苛刻。而该团队独辟蹊径，利用合成时域晶格技术，将抽象量子过程转化为可观测的光脉冲舞蹈。

图1 二能级非厄米合成时域晶格

如图1（a）所示，研究人员在两根长度略有差异的光纤环中注入激光脉冲，通过巧妙的“时空映射”把时间切片铺展为二维网格：将脉冲到达时间点转化为晶格坐标实现了二能级量子系统模拟。在短环内置入的强度调制器能够引入可控损耗γ，覆盖从弱非厄米（γ=0.1）到强非厄米（γ=0.6）的耗散区间。相位调制器施加的线性相移则模拟了绝热演化所需的驱动电场。如图1（b）和（c）所示，当损耗γ突破临界值γc=0.46时，系统在动量空间Q=0处触发奇异点（EP）相变——能带实部从无交叉突变为直接交叉，标志着非厄米拓扑相的诞生。如图1（d）所示，通过产生快速变化的等效矢势（即相位调制），可以构建高强度的等效恒定电场，在该电场的作用下，波包会在布里渊区的中心发生非厄米LZ隧穿效应。

图2 基于分步淬灭干涉法测量能级占据数

面对能带交叉点处量子态群速度一致的测量困境，研究人员首创分步淬灭干涉法（stepwise quench scheme）：在预设演化步数mt（如mt=10或12）处，突然关闭电场与损耗，冻结瞬态量子态，以保证波包绝热演化；针对远离Q=0的淬灭点，通过施加补偿相位将能带结构“回折”至交叉形态；最终通过长环脉冲干涉条纹的反演，从强度振荡信号中提取绝热基下的能级占据数。

图3 EP点前后损耗对LZ隧穿过程的影响

如图3（a）~（f）所示，研究团队基于分步淬灭干涉法，通过调控损耗（即γ=0、γ=0.1、γ=0.6），研究绝热基（adiabatic basis）与非绝热基（diabatic basis）态占据数的演化，揭示了非厄米系统中LZ隧穿的规律。首先，如图3(g)所示，最终隧穿概率不依赖于损耗率，始终遵循标准LZ公式；其次，耗散虽不改变跃迁终点，但会剧烈影响跃迁的瞬态过程。团队分别绘制了在绝热基和非绝热基下，隧穿概率随损耗率变化的曲线。如图3(h)所示，在绝热基下，能带占据数在隧穿过程中减小，并且在跨越EP点之前，该过程会加速。与之不同的是，在非绝热基下，能带占据数的振荡随着损耗率的增加而逐渐消失（如图3(i)所示）。

开启耗散量子工程新阶段

这项研究将非厄米量子动力学从理论预言推入实验实证阶段：首次通过合成时域晶格实现了对非厄米LZ隧穿的全过程实验表征，采用分步淬灭干涉法捕获了从初始态（Q=-π/2）到稳态（Q=π/2）的完整动力学轨迹，揭示了耗散在隧穿动力学中的主导作用。从实验上证明了：耗散不会改变最终的朗道-齐纳隧穿概率，却能显著影响隧穿过程的瞬时动态特性。

值得注意的是，此项工作提出的实验方法如同为量子动力学定制的“CT扫描仪”，其价值远超非厄米物理范畴。未来可进一步拓展至对拓扑量子系统的模拟，实现对边缘态损耗的精准测量，还可应用于耗散量子计算领域，为退相干通道的实时诊断提供新思路。