[论文解读] Exceptional entanglement phenomena: non-Hermiticity meeting non-classicality

Pei‐Rong Han, Fan Wu+12 more|PubMed|Oct 10, 2022

Quantum Mechanics and Non-Hermitian Physics被引用 4

一句话总结

本文展示了非厄米（NH）量子系统表现出一类独特的纠缠现象——异常纠缠跃迁，其由耗散性、相互作用的量子比特-光子系统中的异常点（EPs）驱动。通过采用超导量子比特耦合到衰减谐振腔的电路量子电动力学平台，作者在实验上描绘了非厄米本征态中的奇异纠缠行为，揭示了一种在经典或厄米系统中均不存在的纯量子力学特征。

ABSTRACT

Non-Hermitian (NH) extension of quantum-mechanical Hamiltonians represents one of the most significant advancements in physics. During the past two decades, numerous captivating NH phenomena have been revealed and demonstrated, but all of which can appear in both quantum and classical systems. This leads to the fundamental question: what NH signature presents a radical departure from classical physics? The solution of this problem is indispensable for exploring genuine NH quantum mechanics, but remains experimentally untouched so far. Here, we resolve this basic issue by unveiling distinct exceptional entanglement phenomena, exemplified by an entanglement transition, occurring at the exceptional point of NH interacting quantum systems. We illustrate and demonstrate such purely quantum-mechanical NH effects with a naturally dissipative light-matter system, engineered in a circuit quantum electrodynamics architecture. Our results lay the foundation for studies of genuinely quantum-mechanical NH physics, signified by exceptional-point-enabled entanglement behaviors.

研究动机与目标

• 识别非厄米物理中一种非经典的、真正量子力学的特征，使其与经典NH现象相区别。
• 解决一个根本性问题：非厄米效应中，哪些现象无法在经典系统中复现。
• 证明在相互作用的量子系统中，异常点（EPs）会诱导出在厄米和经典设置中均不存在的纠缠跃迁。
• 在天然耗散的、基于电路-QED的量子系统中，实验实现并表征EP驱动的纠缠动力学。
• 确立在马尔可夫环境中的复合量子系统，其非厄米本征态中的纠缠行为具有普遍性，标志着真正量子非厄米物理的新前沿。

提出的方法

• 对由非厄米哈密顿量控制的量子比特-谐振腔系统进行理论建模，其中量子比特和光子模式均具有本征衰减速率。
• 使用有效非厄米哈密顿量 $\mathcal{H}_{\text{NH}} = \Omega(a^\dagger|g\rangle\langle e| + a|e\rangle\langle g|) - \frac{i}{2}\kappa_q|e\rangle\langle e| - \frac{i}{2}\kappa_f a^\dagger a$ 描述具有能量耗散的共振光-物质相互作用。
• 在电路量子电动力学架构中构建系统，通过交流磁通调制使超导量子比特与一个有损耗的谐振腔耦合，实现在边带上的可调光子交换。
• 采用密度矩阵后投影方法，从强噪声背景中提取微弱的非经典信号，从而实现对后选择的两量子比特密度矩阵的重建。
• 通过凹度测量映射系统本征态的纠缠，实验上通过态层析和对测量结果的后选择进行验证。
• 测量本征态 $|\Phi_{1,\pm}\rangle$ 之间的相对相位差和能谱间隙 $\Delta E_1$，以确认在 $\eta = 1$ 处存在异常点，此时能隙闭合且纠缠达到峰值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在量子系统中，哪种非厄米特征在本质上与经典物理不同，且无法在经典系统中复现？
• RQ2 非厄米量子系统中的异常点（EPs）是否能诱导出仅属于量子范畴、无经典类比的纠缠跃迁？
• RQ3 在耗散性、相互作用的量子系统中，非厄米本征态的纠缠特性如何在异常点处演化？
• RQ4 在量子系统中，天然存在的耗散性（无需人工 reservoir 工程）是否能引发可观测的、非经典的纠缠现象？
• RQ5 在量子比特-谐振腔系统中，相对相位和能谱间隙在识别异常点及其关联的纠缠跃迁中起什么作用？

主要发现

• 作者在异常点（EP）处观察到一次急剧的纠缠跃迁，此时本征态 $|\Phi_{1,\pm}\rangle$ 的凹度达到最大值，证实了纠缠谱中存在非解析行为。
• 在 EP（$\eta = 1$）处，本征态变为最大纠缠，形成贝尔态 $|Y\rangle = (|g,1\rangle - i|e,0\rangle)/\sqrt{2}$，其凹度为 1。
• 如图3插图所示，凹度对归一化耦合 $\eta$ 的导数在 EP 处发散，表明纠缠中存在非解析跃迁。
• 本征态之间的相对相位差 $\varphi = \varphi_+ - \varphi_-$ 在 EP 处发生突变，证实了本征向量的汇聚。
• 在 EP 处，能谱间隙 $\Delta E_1$ 闭合，其实部和虚部均趋于零，证实了能级交叉和非绝热行为。
• 在 $\eta = 5$ 和 $\eta = 0.5$ 处的实验凹度结果与使用有效哈密顿量的数值模拟高度一致，验证了理论模型和测量协议的正确性。