在传统的量子力学框架下，物理系统通常被理想化为一个完全封闭的孤立体系。就像一个绝对密封的保温杯，能量既不会凭空多出来，也不会流失到外界。物理学上将这种没有能量交换的理想状态，称为厄米（Hermitian）系统。在这种框架下，系统的能量状态被严格限定为“实数”。

这意味着，无论系统的参数怎么改变，能量都只有高低的变化，就像是被牢牢限制在一把直尺上，只能在笔直的实轴上做一维运动。

然而，真实的物理系统通常是开放的，能量的增益与损耗无处不在。面对能量不再守恒的开放系统时，仅仅依靠“一维直尺”已无法完整刻画系统的真实状态。

为了精准描述能量的增益与耗散，物理学家引入了“虚数”的概念，由此构建了非厄米（Non-Hermitian）体系的物理框架。虚数的加入，让能量的取值从一维实数轴拓展到了二维的“复能平面”。

这意味着，如果系统的参数沿着一个闭合回路连续演化一圈，能量的轨迹将挣脱实轴的限制，在二维的复能平面上延展，并最终描绘出一个首尾相连的闭合环路。这种在复平面上展现出独特几何特征的现象，就是非厄米系统特有的谱学拓扑。

近日，来自中国科学技术大学量子信息重点实验室的研究团队首次在冷里德堡原子气体中成功实现了对非厄米谱学拓扑的实验观测，揭示了多体相互作用驱动的拓扑重构过程。相关成果在2026年7月6日以“Observation of Non-Hermitian Topology in Cold Rydberg Quantum Gases”为题发表在国际知名学术期刊《PRX Quantum》。

文章链接：https://journals.aps.org/prxquantum/abstract/10.1103/rrrm-s1xn

图1：物理模型图。（a）为双光子激发能级示意图。（b）为实验装置示意图。（c）为复平面参数构建过程和理论计算刘维尔能谱图。

从一维直线到二维拓扑回路

现有的非厄米谱学拓扑研究大多局限于单粒子或无相互作用的模型。对于强相互作用的多体系统而言，如何从动力学演化中提取并调控谱学拓扑，始终是该领域面临的一项核心挑战。

在冷里德堡原子气体中，长程相互作用诱导的耗散效应自然打破了系统的厄米特性，为探究非厄米物理开辟了一个高度可控的多体实验平台。

研究团队通过调控探测激光的强度和频率，定义了一个复参数空间，驱动冷里德堡原子在该空间内沿着闭合回路进行连续演化。

当探测激光很弱时，原子之间彼此互不干扰，系统表现出经典的厄米特性：不管外界的参数怎么变化，反映原子能量状态的能谱轨迹，始终被束缚在“实轴”的直线上。

然而，当逐渐增加探测激光的强度时，越来越多的原子被激发至里德堡态。里德堡原子间长程相互作用迅速增强，引起了显著的耗散效应，彻底打破了原有的厄米特性。

非厄米的产生，直接重塑了系统的能谱演化行为。当实验参数再次沿着闭合回路连续扫描时，系统的能谱轨迹挣脱了一维实轴的束缚，开始向二维的复能平面延展。轨迹不再是单调的直线折返，而是随着耗散的增强在复平面上逐渐膨胀，绘制出一个闭合的拓扑回路。

这一结果标志着系统完成了从厄米“直线”到非厄米“拓扑回路”的转变，实现了非厄米谱学拓扑在里德堡原子系统中的首次成功观测。

图2：非厄米谱学拓扑。（a）为理论计算不同耗散强度下刘维尔能谱图。（b-e）为实验测量刘维尔能谱从线性到拓扑回路的变化。

非厄米谱学拓扑的动力学重构

大多数非厄米谱学拓扑的研究都遵循一个设定：拓扑结构由参数空间的闭合路径直接决定，路径一旦选定，结构就已注定。

然而，冷里德堡原子气体展现出完全不同的物理图像：非厄米谱学拓扑并非固定不变的静态几何结构，而是表现出显著的动力学依赖性。

研究团队发现仅需调节扫描周期这一参数，就能让拓扑结构发生根本性的重构。

当扫描足够慢时，系统能较好地跟随参数变化，在复能平面上划出一道完整的闭合回路；但当扫描周期显著缩短，系统偏离绝热演化，耗散与相干驱动在极短时间内展开激烈竞争，原有的拓扑回路开始扭曲甚至自交叉，拓扑结构在动力学演化中被彻底改写。

研究人员还发现，相同参数范围下扫描方向不同也会产生不同的谱学轨迹。这种扫描方向依赖的非互易性表明，拓扑的演化不仅取决于驱动快慢，还与演化路径的“走向”密切相关。

这些结果表明，这里的拓扑并非哈密顿量的静态属性，而是耗散、多体相互作用与外部驱动共同塑造的动力学结构，它随着演化不断被重写。

图3：扭结拓扑。（a）为理论计算交叉的迟滞轨迹。（b）为吸收主导与耗散主导对应的谱学环绕数示意图（c-h）为实验测量不同扫描周期下复能平面上的谱学轨迹。

非平衡驱动下的非厄米物理

在强相互作用的多体系统中探索非厄米现象，始终是量子物理领域的一项关键挑战，而里德堡原子系统为突破这一挑战提供了理想的实验平台。

里德堡原子独特的长程相互作用，不仅赋予了体系丰富的非平衡动力学特性，更直接诱导了系统的非厄米特性，并成功驱动系统在复能平面上涌现出闭合的拓扑回路。研究揭示了这种谱学拓扑并非哈密顿量固有的静态属性，而是高度依赖于动力学演化过程的非平衡产物。

这些发现突显了开放量子系统中耗散、相互作用与拓扑之间丰富的协同效应。长程相互作用与耗散的结合极大丰富了拓扑现象，产生了短程相互作用系统中根本难以实现的新型拓扑行为。

这项工作不仅确立了冷里德堡气体作为探索非厄米物理的多功能平台，也为探索非平衡拓扑相及奇异的非厄米现象开辟了全新途径，并在量子模拟与量子信息处理领域展现出极具潜力的应用前景。