日前，北京計算科學研究中心薛鵬教授團隊及合作者在非厄米拓撲物態的研究中取得重要進展。他們在實驗上首次觀測到開放量子體系中的非厄米趨膚效應(non-Hermitian skin effect)，並證實了非厄米體邊對應原理。這一成果處於非厄米系統，拓撲相變，量子模擬等量子物理和凝聚態物理學前沿方向的關鍵結合點, 是拓撲物態和開放體系兩個方向的基礎性進展, 對新奇拓撲序的量子模擬及全面理解開放體系拓撲現象有重要意義。

圖1. 實驗裝置圖。

在以固態拓撲材料為代表的傳統拓撲物相中, 最為重要的物理特徵是拓撲保護的邊緣態。體邊對應原理指出，拓撲邊緣態的存在性和穩定性完全由體態拓撲不變數決定；因此，人們可以根據體態拓撲來預言物理上重要的邊緣態。目前，體邊對應原理已被公認為傳統拓撲物態領域中普適的基本原則。長期以來，對這一原理的驗證範圍侷限於封閉體系。然而，無論是在自然界還是在人工體系中，開放體系普遍存在並扮演越來越重要的角色。

近年來，隨著對開放體系拓撲現象, 尤其是對非厄米體系拓撲序的理論研究, 人們發現在一大類非厄米拓撲體系中, 傳統的體邊對應關係不再成立，常規拓撲能帶理論中的拓撲不變數無法預言拓撲邊緣態。在這類體系中, 傳統體邊對應原理的失效伴隨著非厄米趨膚效應, 即體態與拓撲邊緣態均完全域性域於體系邊界附近。正是由於非厄米趨膚效應, 非厄米拓撲體系不能在傳統的體邊對應原理下理解。為建立普適的非厄米體邊對應原理，需要重新定義一系列基本概念；例如，根據理論推測，拓撲能帶理論中廣泛採用的標準布里淵區不再適用，取而代之的將是廣義布里淵區(generalized Brillouin zone)。

圖2. 非厄米趨膚效應的實驗資料圖。

薛鵬團隊及合作者在這一背景下, 在單光子量子行走的物理平臺上, 實現了對具有趨膚效應的非厄米拓撲體系動力學的量子模擬。他們通過巧妙的實驗方案設計, 觀測到非厄米趨膚效應及穩定的拓撲邊緣態。實驗觀測到的拓撲邊緣態與傳統體邊對應法則不符，而與定義在廣義布里淵區上的拓撲不變數精確符合, 從而證實了非厄米體邊對應原理。實驗首次在量子體系中觀測到非厄米趨膚效應及非厄米體邊對應關係, 是進一步探索非厄米體系拓撲效應的實驗基點。這一成果有助於深入理解開放系統的拓撲性質及動力學演化中的拓撲現象，對開放體系和拓撲物態的量子模擬具有重要推動作用。

圖3. 非厄米體邊對應資料圖.實驗觀測到的拓撲邊緣態與廣義布里淵區上的拓撲不變數一致，說明了在本體系中傳統體邊對應原理失效，非厄米廣義體邊對應原理成立.

這項研究是該團隊繼理論設計並實驗實現宇稱時間對稱的量子行走，觀測新型拓撲邊界態[Nat. Phys. 13, 1117 (2017)]，直接測量量子行走拓撲不變數[Phys. Rev. Lett. 119, 130501 (2017)]，模擬多體拓撲系統的動力學量子相變[Phys. Rev. Lett. 122, 020501 (2019)]，觀測非么正動力學演化中的斯格明子結構[Nat. Commun. 10，2293 (2019)]，以及觀測宇稱時間對稱的動力學臨界現象[Phys. Rev. Lett. 123, 230401 (2019)]之後，在非厄米系統新奇物性研究方面取得的又一重要成果。

研究成果《Non-Hermitian bulk-boundary correspondence in quantum dynamics》於2020年3月16日以研究長文(article)形式線上發表在《自然•物理》(Nature Physics)上。該論文的理論合作者為清華大學高等研究院汪忠研究員和中國科學技術大學易為教授，北京計算科學研究中心的肖磊和中國科學技術大學的鄧天舒為共同第一作者。該成果得到了國家自然科學基金和北京計算科學研究中心啟動基金的支援。