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      中國科大首次實現超越No-go定理的超輻射相變模擬

      時間:2021-11-08 11:47:24 來源:中國科大新聞網

        中國科學技術大學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)]。


        平衡態的超輻射相變自從上世紀七十年代初被理論預言以來,一直是統計物理和電動力學重要的研究課題,而且為量子信息科學提供了關鍵的量子資源。然而平衡態的超輻射相變始終沒有在真實的腔QED系統上觀測到。一方面,目前的腔QED技術通常很難滿足平衡態超輻射相變所需的臨界參數和超低溫基態的制備;更關鍵的是,腔QED系統中自然存在的矢勢平方項使得相變點落在了物理上無法達到的參數區域內——即所謂的No-go定理,因此平衡態超輻射相變的實驗研究極具挑戰性。


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      圖 1 (a)自旋體系到Rabi模型的對應方案。(b)包含矢勢平方項和反壓縮項的Rabi模型相變示意圖。


        研究組基于核磁共振量子模擬器,模擬驗證了不包含矢勢項的Rabi模型的超輻射相變以及No-go定理的機制;進一步巧妙地引入了額外的反壓縮操作,指數增強系統的零點漲落,在矢勢平方項存在的情況下成功觀測到了超輻射相變,突破了No-go定理的限制。具體來說,研究組實驗上利用了絕熱量子控制的方法將量子模擬體系制備到腔QED系統哈密頓量對應的基態,且基于精密的量子控制技術實現了關鍵的反壓縮操作,然后通過測量序參量(平均光子數)的變化觀察到了超輻射相變的恢復。此外實驗還通過量子態層析技術,展示了伴隨著進入超輻射相,系統被制備到了高度糾纏的壓縮薛定諤貓態上。


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      圖2:實驗結果(a)未引入反壓縮項時體系的序參量行為。(b)引入反壓縮項后的序參量在不同的參數下的行為。(c)超輻射相和正常相體系所處量子態的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)。


        彭新華教授研究組一直致力于在核磁共振體系上模擬各種有價值的復雜量子體系,并取得了一系列進展,包括李-楊零點的實驗觀測(Phys. Rev. Lett. 114, 010601),非時序關聯(OTOC)的測量(Phys. Rev. X 7, 031011),以及量子拓撲序的實驗探測(Nat. Phys. 14, 160–165, 2018)等,積累了豐富的量子模擬經驗并發展了國際前沿的量子控制技術。


        中國科學院微觀磁共振重點實驗室博士研究生陳希(已畢業)和吳澤為該文共同第一作者,彭新華教授和呂新友教授為該文共同通訊作者。該研究得到了科技部、國家自然科學基金委和安徽省的資助。


        論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-26573-5


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