我國(guó)首次實(shí)現(xiàn)超越No-go定理的超輻射相變模擬 相關(guān)研究成果發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》上

記者9日從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校彭新華研究組和華中科技大學(xué)呂新友教授合作，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)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)研究成果日前在線發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》上。

平衡態(tài)的超輻射相變自從上世紀(jì)70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)上觀測(cè)到。這當(dāng)中最為關(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。

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)量序參量的變化觀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。

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)：“這是整個(gè)量子模擬領(lǐng)域的一個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)。”