我国首次实现超越No-go定理的超辐射相变模拟

仙仙

记者11月9日从中国科学技术大学获悉，该校彭新华研究组和华中科技大学吕新友教授合作，通过引入反压缩操作，借助于高精度的量子控制技术，首次成功地在核磁共振量子模拟器上实现了超越No-go定理的平衡态超辐射相变，推动了量子相变理论和量子模拟领域的发展，为量子精密测量提供了新的途径。相关研究成果日前在线发表于国际学术期刊《自然·通讯》上。


平衡态的超辐射相变自20世纪70年代初被理论预言以来，一直是统计物理和电动力学重要的研究课题，而且为量子信息科学提供了关键的量子资源。然而平衡态的超辐射相变始终没有在真实的腔QED系统上观测到。这当中最为关键的是，腔QED系统中自然存在的矢势平方项使得相变点落在了物理上无法达到的参数区域内——即所谓的No-go定理，因此平衡态超辐射相变的实验研究极具挑战性。


研究组实验上利用了绝热量子控制的方法将量子模拟体系制备到腔QED系统哈密顿量对应的基态，且基于精密的量子控制技术实现了关键的反压缩操作，然后通过测量序参量的变化观察到了超辐射相变的恢复。此外实验还通过量子态层析技术，展示了伴随着进入超辐射相，系统被制备到了高度纠缠的压缩薛定谔猫态上。


研究结果表明，压缩/反压缩操作能够有效调控量子相变点，即使在矢势平方项存在的情况下也能恢复平衡态的超辐射相变。这不仅打破了No-go定理对相关领域进一步发展所造成的潜在阻碍，而且启发了后续研究者将更先进的量子控制技术应用到光—物质相互作用、凝聚态等复杂体系的实验研究上；实验中制备的高度纠缠态（压缩态）也有望为量子度量和容错量子计算领域提供关键的量子资源。审稿人对该工作给予了高度评价：“这是整个量子模拟领域的一个重要的实验。”（记者吴长锋）