物理学家和工程师长期以来一直对创造新的物质形式非常感兴趣，这些物质通常在自然界中不存在。这样的材料有一天可能会在例如新型计算机芯片中使用。除了应用之外，它们还揭示了有关宇宙难以捉摸的基本运作方面的见解。麻省理工学院(MIT)最近的工作创造并表征了一种新的量子系统，它展示了动态对称性。这是一种周期性重复的特殊行为，就像折叠一个并随时间反射的形状。

麻省理工学院核科学与工程教授Paola Cappellaro实验室的研究生Changhao Li说：“我们需要解决两个问题。第一个问题是我们需要设计这样一个系统。第二，我们如何表征它？如何观察这种对称性？”他最近与Cappellaro教授和研究生Guoqing Wang一起在《物理评论快报》上发表了这项工作。

具体来说，该量子系统由直径约一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，即所谓的氮空位中心(NV)。就像电子一样，每个中心都有一个被称为自旋的量子特性，具有两个离散的能级。因为该系统是一个量子系统，所以自旋不仅可以在一个能级中找到，也可以在两个能级的组合中找到，就像薛定谔理论的猫一样，它可以同时处于生与死的状态。

该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其对周期性时间依赖性。如果系统的哈密顿量不仅在每个时间段t之后都相同，而且在每个t/2或t/3时间之后都相同，则表示该系统具有动力学对称性，例如将一张纸对折或对折三次，这样就不会有任何部分会突出。北京计算科学研究中心的博士后Georg Engelhardt并没有参与这项工作，但他以自己的理论工作作为基础，将对称性比作吉他泛音，其中一根弦可能以100赫兹和50赫兹的频率振动。

为了诱导和观察这种动态对称性，MIT团队首先使用激光脉冲初始化系统。然后他们将各种指定频率的微波辐射指向它并让其进化，让它吸收和发射能量。Li说：“令人惊奇的是，当你添加这样的驱动时，它可以表现出一些非常奇特的现象。它会有一些周期性的震动。”最后，他们向它发射了另一个激光脉冲并测量它发出荧光的可见光，以测量它的状态。测量只是一个快照，所以他们重复了多次实验，拼凑出一种活页书，描述其随时间变化的行为。

Engelhardt说：“非常令人印象深刻的是，他们可以证明他们对量子系统有这种令人难以置信的控制。解方程很容易，但在实验中实现这一点非常困难。”
 
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)决定了一种态和另一种态之间可能发生的转换。Wang说：“这项工作的新颖之处还在于我们引入了一种工具，可用于表征任何量子信息的平台，而不仅仅是钻石中的氮空位中心。它具有广泛的适用性。”Li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。

它的一个工程应用是在量子计算机中，即操纵量子比特的系统，这些比特不仅可以是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比特。

量子比特是微妙的，它们很容易分解为简单的比特(1或0)。或者量子比特可能成为0和1的错误组合。Engelhardt说：“这些用于测量动态对称性的工具，可以用来作为一种理智的检查，能检查你的实验是否正确地进行了调整，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，他将其比作失谐的吉他。通过调整弦的张力(即实验里调整微波辐射)使谐波符合一些理论对称性要求，可以确保实验得到完美校准。

MIT团队已经将目光投向了这项工作的扩展。Li说：“下一步是将我们的方法应用于更复杂的系统并研究更有趣的物理学。”他们的目标是两个以上的能量水平(3个、10个或更多)。随着有更多的能级，它们可以代表更多的量子比特。Li继续说道：“当你有更多的量子比特时，你就会有更复杂的对称性。你可以在这里使用我们的方法来表征它们。”（编译:Qtech）