物理學家和工程師長期以來一直對創造新的物質形式感興趣，這些物質通常在自然界中不存在。這樣的材料有一天可能會在例如新型計算機芯片中使用。除了應用之外，它們還揭示了關于宇宙基本運作的難以捉摸的見解。麻省理工學院最近的工作創造并表征了新的量子系統，展示了動態對稱性——特定類型的周期性重復的行為，如折疊并隨時間反射的形狀。

       “我們需要解決兩個問題，”核科學與工程教授 Paola Cappellaro 實驗室的研究生李昌浩說。Li 最近與 Cappellaro 和研究生王國慶一起在《物理評論快報》上發表了這項工作。“第一個問題是我們需要設計這樣一個系統。第二，我們如何表征它？我們如何觀察這種對稱性？”
       具體來說，量子系統由直徑約一毫米的金剛石晶體組成。該晶體包含許多由晶格間隙附近的氮原子引起的許多缺陷- 所謂的氮空位中心。就像電子一樣，每個中心都有一個稱為自旋的量子特性，具有兩個離散的能級。因為該系統是一個量子系統，所以自旋不僅可以在一個能級中找到，也可以在兩個能級的組合中找到，就像薛定諤的理論貓一樣，它可以同時生死。
       該系統的能級由其哈密頓量定義，研究人員通過微波控制設計了其周期性時間依賴性。如果系統的哈密頓量不僅在每個時間段 t 之后都相同，而且在例如每個 t/2 或 t/3 之后都相同，則稱該系統具有動力學對稱性，例如將一張紙對折或對折，以便沒有部分突出。北京計算科學研究所的博士后 Georg Engelhardt 沒有參與這項工作，但他自己的理論工作作為基礎，將對稱性比作吉他泛音，其中一根弦可能以 100 赫茲和 50 赫茲的頻率振動。
       為了誘導和觀察這種動態對稱性，麻省理工學院團隊首先使用激光脈沖初始化系統。然后他們將各種選定頻率的微波輻射指向它并讓它進化，讓它吸收和發射能量。“令人驚奇的是，當你添加這樣的驅動時，它可以表現出一些非常奇特的現象，”李說。“它會有一些周期性的震動。” 最后，他們向它發射另一個激光脈沖并測量它發出熒光的可見光，以測量它的狀態。測量只是一個快照，所以他們重復了多次實驗，拼湊出一種翻書，描述其隨時間變化的行為。
       “非常令人印象深刻的是，他們可以證明他們對量子系統有這種令人難以置信的控制，”恩格爾哈特說。“解方程很容易，但在實驗中實現這一點非常困難。”
       至關重要的是，研究人員觀察到哈密頓量的動態對稱性——系統能級的諧波——決定了一種狀態和另一種狀態之間可能發生的轉換。“而這項工作的新穎之處，”王說，“還在于我們引入了一種工具，可用于表征任何量子信息平臺，而不僅僅是鉆石中的氮空位中心。它具有廣泛的適用性。” Li 指出，他們的技術比以前的方法更簡單，以前的方法需要恒定的激光脈沖來驅動和測量系統的周期性運動。
       一個工程應用是在量子計算機中，即操縱量子位的系統，這些位不僅可以是 0 或 1，還可以是 0 和 1 的組合。鉆石的自旋可以在其兩個能級中編碼一個量子位。
       量子位是微妙的：它們很容易分解成簡單地位，1 或 0。或者量子位可能成為 0 和 1 的錯誤組合。“這些用于測量動態對稱性的工具，”恩格爾哈特說，“可以用作健全性檢查您的實驗是否已正確調整 - 并且具有非常高的精度。” 他注意到量子計算機中的外部擾動問題，他將其比作失諧的吉他。通過調整弦的張力——調整微波輻射——使諧波符合一些理論對稱性要求，可以確保實驗得到完美校準。
       MIT 團隊已經將目光投向了這項工作的擴展。“下一步是將我們的方法應用于更復雜的系統并研究更有趣的物理學，”李說。他們的目標是兩個以上的能量水平——三個、10 個或更多。隨著更多的能級，它們可以代表更多的量子比特。“當你有更多的量子比特時，你就會有更復雜的對稱性，”李說。“你可以在這里使用我們的方法來表征它們。”