近年來，非厄米量子物理成為研究的熱點，實驗和理論的進展更是極大地促進了非厄米物理學的發展;同時，非厄米量子物理不同于傳統的厄米量子物理，有其新奇的物理現象，在量子計算、量子精密測量以及拓撲物理等領域有重要的影響。
2019 年，杜江峰課題組建立了在量子系統中實現基于非厄米哈密頓量的量子調控普適理論，并通過對金剛石量子比特的高精度量子操控，首次在單自旋體系中觀測到宇稱時間對稱性破缺，為后續在量子體系中進一步研究非厄米系統的新奇物理性質開辟了道路。
日前，中國科大研究團隊在非厄米奇異點拓撲性質的研究中取得重要進展。中國科大中國科學院微觀磁共振重點實驗室杜江峰、榮星等人通過對金剛石量子比特的高精度量子操控，首次在量子體系中實現動力學環繞非厄米奇異點，并成功觀測到基于奇異點的本征態轉換。
非厄米系統中存在一種特殊的簡并點 —— 奇異點。奇異點附近的能譜和厄米系統存在很大的差異，呈現出兩個撕裂的黎曼曲面相交環繞著奇異點的特殊拓撲結構，并由此誘導了一些新奇的物理現象。
圖：奇異點的能譜結構以及動力學環繞奇異點導致的本征態轉換。藍色和紅色曲面分別對應非厄米哈密頓量的兩個本征能量，兩者在相交的奇異點附近呈現出獨特的拓撲結構。能譜面上帶箭頭的曲線對應環繞奇異點的演化軌跡。
基于非厄米哈密頓量的量子調控普適理論，研究團隊以金剛石氮 - 空位色心的核自旋為輔助比特，電子自旋為系統比特，通過量子調控的手段，實現了含時非厄米哈密頓量下的演化，并成功地觀測到兩種本征態轉換：當環繞的起始點處于宇稱時間對稱相時，量子系統的末態依賴于環繞奇異點的方向，和環繞初態無關(如圖 a, b 所示)，本征態轉換呈現出非對稱性。而當起始點處于宇稱時間對稱破缺相時，環繞末態和初態及環繞方向都無關(如圖 c, d 所示)，本征態轉換呈現出對稱性。研究組進一步的探索還發現，這類模式轉換對于環繞路徑上的隨機噪聲有很強的魯棒性，這將在量子計算及量子信息處理領域有重要的應用潛力。
該成果于近日在《物理評論快報》上發表。這項工作基于奇異點實現拓撲保護的本征態轉換，為量子控制提供了全新的思路。而在量子系統實現含時非厄米哈密頓量，也為進一步研究非厄米系統的新奇物理，如環繞高階的奇異點、探索非厄米拓撲不變量等奠定了基礎。
中國科學院微觀磁共振重點實驗室博士研究生劉文權和博士后研究員伍旸為該文并列第一作者，杜江峰院士和榮星特任教授為論文的共同通訊作者。此項研究得到了科技部、國家自然科學基金委、中國科學院和安徽省的資助。
