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中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國(guó)科學(xué)院微觀(guān)磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室彭新華研究組和華中科技大學(xué)呂新友教授合作，在超輻射相變量子模擬的實(shí)驗(yàn)研究中取得重要進(jìn)展。該合作研究組通過(guò)引入反壓縮操作，借助于高精度的量子控制技術(shù)，首次成功地在核磁共振量子模擬器上實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了超越No-go定理的平衡態(tài)超輻射相變，推動(dòng)了量子相變理論和量子模擬領(lǐng)域的發(fā)展，為量子精密測(cè)量提供了新的途徑。相關(guān)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(xiàn)發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》上[Nat. Commun. 12, 6281 (2021)]。

平衡態(tài)的超輻射相變自從上世紀(jì)七十年代初被理論預(yù)言以來(lái)，一直是統(tǒng)計(jì)物理和電動(dòng)力學(xué)重要的研究課題，而且為量子信息科學(xué)提供了關(guān)鍵的量子資源。然而平衡態(tài)的超輻射相變始終沒(méi)有在真實(shí)的腔QED系統(tǒng)上觀(guān)測(cè)到。一方面，目前的腔QED技術(shù)通常很難滿(mǎn)足平衡態(tài)超輻射相變所需的臨界參數(shù)和超低溫基態(tài)的制備；更關(guān)鍵的是，腔QED系統(tǒng)中自然存在的矢勢(shì)平方項(xiàng)使得相變點(diǎn)落在了物理上無(wú)法達(dá)到的參數(shù)區(qū)域內(nèi)——即所謂的No-go定理，因此平衡態(tài)超輻射相變的實(shí)驗(yàn)研究極具挑戰(zhàn)性。

圖 1 (a)自旋體系到Rabi模型的對(duì)應(yīng)方案。(b)包含矢勢(shì)平方項(xiàng)和反壓縮項(xiàng)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(yàn)證了不包含矢勢(shì)項(xiàng)的Rabi模型的超輻射相變以及No-go定理的機(jī)制；進(jìn)一步巧妙地引入了額外的反壓縮操作，指數(shù)增強(qiáng)系統(tǒng)的零點(diǎn)漲落，在矢勢(shì)平方項(xiàng)存在的情況下成功觀(guān)測(cè)到了超輻射相變，突破了No-go定理的限制。具體來(lái)說(shuō)，研究組實(shí)驗(yàn)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(tǒng)哈密頓量對(duì)應(yīng)的基態(tài)，且基于精密的量子控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵的反壓縮操作，然后通過(guò)測(cè)量序參量（平均光子數(shù)）的變化觀(guān)察到了超輻射相變的恢復(fù)。此外實(shí)驗(yàn)還通過(guò)量子態(tài)層析技術(shù)，展示了伴隨著進(jìn)入超輻射相，系統(tǒng)被制備到了高度糾纏的壓縮薛定諤貓態(tài)上。

圖2：實(shí)驗(yàn)結(jié)果(a)未引入反壓縮項(xiàng)時(shí)體系的序參量行為。(b)引入反壓縮項(xiàng)后的序參量在不同的參數(shù)下的行為。(c)超輻射相和正常相體系所處量子態(tài)的Wigner函數(shù)。

研究結(jié)果表明，壓縮/反壓縮操作能夠有效調(diào)控量子相變點(diǎn)，即使在矢勢(shì)平方項(xiàng)存在的情況下也能恢復(fù)平衡態(tài)的超輻射相變。這不僅打破了No-go定理對(duì)相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展所造成的潛在阻礙，而且啟發(fā)了后續(xù)研究者將更先進(jìn)的量子控制技術(shù)應(yīng)用到光-物質(zhì)相互作用、凝聚態(tài)等復(fù)雜體系的實(shí)驗(yàn)研究上；實(shí)驗(yàn)中制備的高度糾纏態(tài)（壓縮態(tài)）也有望為量子度量和容錯(cuò)量子計(jì)算領(lǐng)域提供了關(guān)鍵的量子資源。審稿人對(duì)該工作給予了高度評(píng)價(jià)：“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(gè)量子模擬領(lǐng)域的一個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)，非常適合發(fā)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(jià)值的復(fù)雜量子體系，并取得了一系列進(jìn)展，包括李-楊零點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)（Phys. Rev. Lett. 114, 010601），非時(shí)序關(guān)聯(lián)（OTOC）的測(cè)量（Phys. Rev. X 7, 031011），以及量子拓?fù)湫虻膶?shí)驗(yàn)探測(cè)（Nat. Phys. 14, 160–165, 2018）等，積累了豐富的量子模擬經(jīng)驗(yàn)并發(fā)展了國(guó)際前沿的量子控制技術(shù)。

中國(guó)科學(xué)院微觀(guān)磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生陳希（已畢業(yè)）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(guó)家自然科學(xué)基金委和安徽省的資助。

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

（中國(guó)科學(xué)院微觀(guān)磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、物理學(xué)院、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心、中國(guó)科學(xué)院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）