日前，北京计算科学研究中心xsdxl教授团队与合作者在非Hermite拓扑态研究方面取得重要进展。他们在实验上首次观察到开放量子系统中的非厄米集肤效应，并证实了非厄米体边缘对应的原理。这一成果正处于非厄米体系、拓扑相变、量子模拟等量子物理和凝聚态物理前沿方向的关键节点。它是拓扑态和开放系统的基本进展，对新拓扑序的量子模拟和全面理解开放系统的拓扑现象具有重要意义。
图1。实验装置图。
在以固体拓扑材料为代表的传统拓扑相中，最重要的物理特征是拓扑保护的边缘状态。体边对应原理指出，拓扑边状态的存在性和稳定性完全由体拓扑不变量决定。因此，人们可以根据姿态拓扑预测物理上重要的边缘状态。目前，体-边对应原理已被公认为传统拓扑态领域的一般基本原理。长期以来，这一原则的验证范围仅限于封闭系统。然而，无论是在自然界还是在人工系统中，开放系统无处不在，发挥着越来越重要的作用。
近年来，随着对开放系统拓扑现象，特别是非埃尔米特系统拓扑序的理论研究，发现在一大类非埃尔米特拓扑系统中，传统的体边对应不再成立，常规拓扑带理论中的拓扑不变量无法预测拓扑边状态。在这类系统中，传统体边对应原理的失效伴随着非埃尔米特集肤效应，即状态和拓扑边状态完全局限在系统边界附近。正是由于非埃尔米特皮肤效应，使得非埃尔米特拓扑系统在传统的体-边对应原理下无法理解。为了建立一个普适的非埃尔米特边对应原理，需要重新定义一系列基本概念。例如，根据理论推测，拓扑能带理论中广泛使用的标准布里渊区不再适用，将被广义布里渊区取代。
图2。非埃尔米特集肤效应实验数据图表。
在此背景下，xsdxl团队与合作者在单光子量子行走的物理平台上实现了具有趋肤效应的非Hermite拓扑系统动力学的量子模拟。通过巧妙的实验设计，他们观察到了非厄米表皮效应和稳定的拓扑边缘状态。观察到的拓扑边缘状态不符合传统的体边缘对应规则，但与广义布里渊区定义的拓扑不变量完全一致，从而证实了非厄米体边缘对应原理。在量子系统实验中首次观察到非厄米趋肤效应和非厄米体边缘的对应关系，为进一步探索非厄米系统的拓扑效应提供了实验基础。这一成果有助于深入理解开放系统的拓扑性质和动态演化中的拓扑现象，对推动开放系统和拓扑状态的量子模拟具有重要作用。
图3。非埃尔米特体边缘对应的数据映射。实验中观察到的拓扑边缘状态与广义布里渊区的拓扑不变量一致，表明传统的体边缘对应原理是无效的，非厄米广义体边缘对应原理在该系统中是有效的。
本研究是团队实现等时对称量子行走，观察新的拓扑边界状态[Nat]的理论设计和实验。Phys. 13，1117 (2017)]，并直接测量量子行走的拓扑不变量[phys.rev. lett.119，130501 (2017)]。模拟多体拓扑系统的动态量子相变[Phys. Rev. Lett.122，020501 (2019)]，观察非对称动态演化[NAT]中的施密特子结构。通讯. 10，2293 (2019)]，并观察宇称时间对称性的动态临界现象[列特物理评论。
研究成果《Non-Hermitian bulk-boundary correspondence in quantum dynamics》于2020年3月16日以研究文章《自然•物理》(自然物理)的形式在线发表。本文的理论合作者为清华大学高等研究院ysdmy研究员和中国科学技术大学易毅教授，北京计算科学研究中心的适菠萝和中国科学技术大学的尊香为共同第一作者。该成果得到了国家自然科学基金和北京计算科学研究中心启动基金的资助。
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