米兰-中国科大首次实现了Rabi模型多临界现象的量子模拟—新闻—科学网

中国科学手艺年夜学中国科学院微不雅磁共振重点尝试室彭新华研究组和华中科技年夜学吕新友传授合作，在Rabi模子多临界现象的量子摹拟研究中获得了主要进展。该研究经由过程成长开放量子系统的稳态量子调控手艺，初次成功地在核磁共振量子摹拟器上验证了封锁和耗散Rabi模子中的量子多临界现象，鞭策了开放系统量子相变和非均衡稳态量子摹拟范畴的成长。相干研究功效在10月23日以“Experimental Quantum Simulation of Multicriticality in Closed and Open Rabi Model”为题在线颁发在国际学术期刊《物理评论快报》上[Phys. Rev. Lett.133,173602(2024)]。

多临界现象普遍存在在经典物理世界中，例如热力学中的三相点就是指物资的三相（气相、液相、固相）到达热力学均衡共存时的多临界点。在量子相变理论中，三相点则被界说为一阶量子相变和二阶量子相变的交汇点。量子多临界现象中包含侧重要的量子相变机理，同时也为量子怀抱和量子材料范畴供给了丰硕的量子资本。在描写光和原子彼此感化的Dicke模子或Rabi模子中，当自力改变旋波项和反旋波项彼此感化强度时，二维的耦合参数空间中存在一个Z2对称性破缺和U1对称性破缺订交的量子三相点。有趣的是，当该模子存在必然强度的玻色子耗散时，理论预言U1对称性破缺的鸿沟和三相点将会同时割裂为两个，另外系统中还会呈现一些新的相区域【如图(a)所示】。但是，这一主要的耗散引诱的量子多临界机制一向未能获得有用的尝试验证。缘由在在很多尝试上的光-原子彼此感化系统不但很难调控到多临界相变所需的参数规模，在此根本上实现不变可控的玻色子耗散通道更是一件难以完成的挑战。

(a)具有多临界相变行动的封锁和耗散Rabi模子。(b)非均衡稳态的量子变分算法。(c)封锁和耗散Rabi模子多临界相变的尝试数据。

研究组一向致力在成长前沿的量子节制手艺，并操纵量子摹拟的方式验证光-原子彼此感化范畴内主要的现象和机理。此前同吕新友传授合作，研究组在核磁共振系统上操纵基态的绝热量子节制手艺，成功实现了超出no-go定理的超辐射相变量子摹拟【Nat. Commun. 12, 6281 (2021)】。在此根本上，研究组不但再次操纵绝热量子摹拟手艺实现了封锁Rabi模子的多临界量子相变，还进一步在核磁共振量子摹拟器上成长了非均衡稳态的变份量子摹拟方式【如图(b)所示】，将量子摹拟的研究规模从以往的封锁系统的基态扩大到了开放量子系统的稳态上。操纵这一新型的量子摹拟手艺，研究构成功实现了耗散Rabi模子非均衡稳态的量子摹拟，并测得了分歧的耦合参数前提下耗散Rabi模子稳态的序参量【如图(c)所示】，尝试成果高度合适理论预期。

研究成果注解，Rabi模子中的玻色子耗散通道不但仅致使退相关效应，还带来了新型的光-原子彼此感化多临界相变机制。该工作将耗散量子调控手段同变份量子算法成功连系，极年夜晋升了尝试摹拟开放量子系统的能力，是以这类耗散引诱的三相点割裂现象得以初次在尝试系统上被验证。另外，这些稳态多临界点四周丰硕的相变性质也有望为量子传感等范畴供给要害的量子资本。

中国科年夜中国科学院微不雅磁共振重点尝试室博士后吴泽、安徽师范年夜学胡永生博士、中国科年夜博士研究生王天韵为该文配合第一作者。彭新华传授和吕新友传授为该文配合通信作者。该研究获得了科技部、国度天然科学基金委、安徽省等帮助。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.133.173602

（中国科学院微不雅磁共振重点尝试室、物理学院、中国科学院量子信息和量子科技立异研究院、科研部）

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