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科研進展

2021年11月08日
中國科大首次實現超越No-go定理的超輻射相變模擬

愛游戲app中國科學院微觀磁共振重點實驗室彭新華研究組和華中科技大學呂新友教授合作,在超輻射相變量子模擬的實驗研究中取得重要進展。該合作研究組通過引入反壓縮操作,借助于高精度的量子控制技術,首次成功地在核磁共振量子模擬器上實驗實現了超越No-go定理的平衡態超輻射相變,推動了量子相變理論和量子模擬領域的發展,為量子精密測量提供了新的途徑。相關研究成果于11月1日以“Experimental quantum simulation of superradiant phase transition beyond no-go theorem via antisqueezing”為題在線發表于國際學術期刊《自然·通訊》上[Nat. Commun. 12, 6281 (2021)]。

平(ping)衡(heng)態的(de)(de)超(chao)輻射(she)相(xiang)變自從上(shang)世紀七十年代(dai)初(chu)被理論預言以(yi)來,一(yi)直(zhi)是統(tong)計(ji)物(wu)理和(he)電動力(li)學重要的(de)(de)研究課題,而且(qie)為量(liang)子信息科學提供了關鍵的(de)(de)量(liang)子資源。然而平(ping)衡(heng)態的(de)(de)超(chao)輻射(she)相(xiang)變始終沒有在真實的(de)(de)腔(qiang)QED系統(tong)上(shang)觀測到。一(yi)方面,目前的(de)(de)腔(qiang)QED技(ji)術(shu)通常很難(nan)滿足平(ping)衡(heng)態超(chao)輻射(she)相(xiang)變所需(xu)的(de)(de)臨界參(can)數和(he)超(chao)低溫基態的(de)(de)制備(bei);更(geng)關鍵的(de)(de)是,腔(qiang)QED系統(tong)中自然存在的(de)(de)矢(shi)勢平(ping)方項使得相(xiang)變點落在了物(wu)理上(shang)無法達到的(de)(de)參(can)數區域內——即(ji)所謂的(de)(de)No-go定(ding)理,因此平(ping)衡(heng)態超(chao)輻射(she)相(xiang)變的(de)(de)實驗研究極具挑戰(zhan)性。

圖 1 (a)自旋(xuan)體系到Rabi模型的對應方(fang)案。(b)包含矢勢平方(fang)項和反(fan)壓縮項的Rabi模型相變(bian)示意(yi)圖。

研究組基于核磁共(gong)振量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)模擬器(qi),模擬驗證(zheng)了(le)不包含矢勢項的(de)Rabi模型的(de)超(chao)輻射相變(bian)以及(ji)No-go定(ding)理的(de)機制(zhi);進一(yi)步巧妙地引入(ru)(ru)了(le)額外(wai)(wai)的(de)反(fan)壓(ya)縮操作(zuo),指數增強系統的(de)零點漲落,在矢勢平方項存(cun)在的(de)情況(kuang)下成功觀(guan)測(ce)到(dao)了(le)超(chao)輻射相變(bian),突(tu)破了(le)No-go定(ding)理的(de)限(xian)制(zhi)。具體來說,研究組實驗上(shang)利用了(le)絕熱(re)量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)控制(zhi)的(de)方法(fa)將量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)模擬體系制(zhi)備(bei)到(dao)腔QED系統哈(ha)密(mi)頓量(liang)(liang)對(dui)應的(de)基態,且(qie)基于精密(mi)的(de)量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)控制(zhi)技術實現了(le)關鍵的(de)反(fan)壓(ya)縮操作(zuo),然后通過(guo)測(ce)量(liang)(liang)序參量(liang)(liang)(平均光(guang)子(zi)(zi)(zi)數)的(de)變(bian)化觀(guan)察(cha)到(dao)了(le)超(chao)輻射相變(bian)的(de)恢復(fu)。此外(wai)(wai)實驗還通過(guo)量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)態層析技術,展示了(le)伴(ban)隨(sui)著進入(ru)(ru)超(chao)輻射相,系統被制(zhi)備(bei)到(dao)了(le)高度糾纏的(de)壓(ya)縮薛定(ding)諤貓態上(shang)。

圖(tu)2:實(shi)驗結果(a)未(wei)引入反壓縮項時體系(xi)的(de)(de)序(xu)參(can)量行為(wei)。(b)引入反壓縮項后的(de)(de)序(xu)參(can)量在不(bu)同(tong)的(de)(de)參(can)數下的(de)(de)行為(wei)。(c)超(chao)輻(fu)射相和正(zheng)常相體系(xi)所處(chu)量子態的(de)(de)Wigner函數。

研究結果表明,壓縮/反壓縮操作能夠有效調控量子相變點,即使在矢勢平方項存在的情況下也能恢復平衡態的超輻射相變。這不僅打破了No-go定理對相關領域進一步發展所造成的潛在阻礙,而且啟發了后續研究者將更先進的量子控制技術應用到光-物質相互作用、凝聚態等復雜體系的實驗研究上;實驗中制備的高度糾纏態(壓縮態)也有望為量子度量和容錯量子計算領域提供了關鍵的量子資源。審稿人對該工作給予了高度評價:“This is an important experiment for the whole field of quantum simulation and well-suited for a publication in Nature Communications.(這是整個量子模擬領域的一個重要的實驗,非常適合發表在《自然·通訊》上)。

彭新(xin)華教授研(yan)究組一直致(zhi)力于在核磁共振體系(xi)上模擬各種有價值的復雜量(liang)子體系(xi),并取得了一系(xi)列進展,包括(kuo)李-楊(yang)零點的實(shi)驗觀測(Phys. Rev. Lett. 114, 010601),非時序關聯(OTOC)的測量(liang)(Phys. Rev. X 7, 031011),以及量(liang)子拓撲(pu)序的實(shi)驗探測(Nat. Phys. 14, 160–165, 2018)等,積累了豐富的量(liang)子模擬經(jing)驗并發展了國際前沿(yan)的量(liang)子控制技術。

中(zhong)國科(ke)學院微(wei)觀(guan)磁共振重(zhong)點實驗室博士(shi)研究生陳希(已畢(bi)業)和(he)吳澤為該(gai)文共同第一作者(zhe),彭新(xin)華教授(shou)和(he)呂(lv)新(xin)友教授(shou)為該(gai)文共同通訊作者(zhe)。該(gai)研究得到了(le)科(ke)技部(bu)、國家(jia)自然科(ke)學基金(jin)委和(he)安徽省的資助。

論文(wen)鏈接:


(中(zhong)國(guo)科(ke)學院(yuan)微觀磁共振重點實驗(yan)室、物理(li)學院(yuan)、合肥微尺度物質(zhi)科(ke)學國(guo)家研(yan)究(jiu)(jiu)中(zhong)心、中(zhong)國(guo)科(ke)學院(yuan)量子(zi)信息和量子(zi)科(ke)技創新研(yan)究(jiu)(jiu)院(yuan)、科(ke)研(yan)部)

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