【儀表網 研發快訊】近日，物理學權威期刊《物理評論快報》(Physical Review Letters)在線刊發物理學院呂新友教授及其合作者的兩項重要研究成果。兩篇論文分別題為“”Topological Quantum Batteries”和“Experimental Observation of Parity-Symmetry-Protected Phenomena in the Quantum Rabi Model with a Trapped Ion”。前者由華中科技大學物理學院2022級博士研究生盧志廣為論文第一作者，呂新友與日本理化學研究所博士后尚程為論文共同通訊作者。后者則由中國科學技術大學博士研究生趙興宇和四川大學特聘副研究員賓倩為該論文共同第一作者，中國科學技術大學林毅恒教授和呂新友為論文共同通訊作者。
對稱性是物理學的核心概念之一，既是諸多理論體系的基石，也在基礎研究與實際應用之間發揮著關鍵紐帶作用。從氫原子光譜的精細結構解析，到量子相變、拓撲物態分類等前沿問題的研究，對稱性始終貫穿于物理學發展的各個層面。例如，量子拉比模型作為描述光與物質相互作用的經典模型，因其宇稱對稱性的存在，使其在量子動力學與量子態選擇規則中起到關鍵作用；而Su-Schrieffer-Heeger模型則因其具有手性對稱性和拓撲保護機制，成為了刻畫拓撲相與邊緣態的重要范例。這些經典模型所蘊含的對稱性不僅深刻影響系統的能譜結構與動力學行為，也為調控復雜系統中的量子態演化與能量輸運提供了理論基礎，其在量子光學、量子相變、臨界動力學以及新型量子器件設計中具有廣泛的應用前景。
圖1：(a)遠距離的高效能量傳輸；(b)單子格耗散免疫；詳見論文：[1]
在第一項研究中，研究人員理論探究了由二能級系統構成的量子充電器與量子電池在呈現拓撲特性的光子波導環境中的能量轉移機制。該研究成果為克服量子電池在實際應用中長期面臨的兩大挑戰——遠距離能量傳輸效率低與對環境耗散的敏感性——提供了有力的理論支撐。研究團隊發現，當系統處于拓撲非平庸相時，能量可實現遠距離完美傳輸；相反在拓撲平庸相中，能量則幾乎完全被局域化(圖1a所示)。更為重要的是，即便拓撲光子波導中存在單子格耗散，能量仍可實現完美傳輸(圖1b所示)。這一研究為設計具備拓撲保護特性的高性能量子電池提供了堅實的理論基礎，有望加速其向實際應用的轉化。在第二項研究中，研究人員基于束縛離子體系中的自旋-聲子耦合系統，實驗模擬了一個高度可控的擴展量子拉比模型，實現了超強耦合區與深強耦合區的精確調控。一方面，研究團隊提出并實現了一種直接探測系統對稱性的方法。實驗發現，在保持宇稱對稱性時，系統中出現奇數階邊帶躍遷禁戒現象；而破缺對稱性后，該禁戒特性消失。該方法不僅有效覆蓋超強至深強耦合區，還具有跨物理平臺的推廣潛力；另一方面，實驗還觀察到系統基態的糾纏和量子疊加等現象與系統宇稱對稱性之間的重要關聯。此外，在深強耦合區，當參數跨越對稱性轉變臨界點時，自旋的馮·諾依曼熵與聲子的Wigner函數均表現出顯著的響應(圖1所示)，這一特性在量子精密測量和比特相干性研究等方面有潛在應用價值。該研究為探索對稱性調控的量子現象及其在高精度量子技術中的應用開辟了新途徑。
圖2：自旋的馮·諾依曼熵隨著對稱性控制參數以及耦合強度的變化關系
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