【儀表網 研發快訊】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Rabi模型多臨界現象的量子模擬研究中取得了重要進展。該研究通過發展開放量子體系的穩態量子調控技術，首次成功地在核磁共振量子模擬器上驗證了封閉和耗散Rabi模型中的量子多臨界現象，推動了開放體系量子相變以及非平衡穩態量子模擬領域的發展。相關研究成果于10月23日以“Experimental Quantum Simulation of Multicriticality in Closed and Open Rabi Model”為題在線發表于國際學術期刊《物理評論快報》上[Phys. Rev. Lett.133,173602(2024)]。
 

　　多臨界現象廣泛存在于經典物理世界中，例如熱力學中的三相點就是指物質的三相(氣相、液相、固相)達到熱力學平衡共存時的多臨界點。在量子相變理論中，三相點則被定義為一階量子相變和二階量子相變的交匯點。量子多臨界現象中蘊含著重要的量子相變機理，同時也為量子度量和量子材料領域提供了豐富的量子資源。在描述光和原子相互作用的Dicke模型或Rabi模型中，當獨立改變旋波項和反旋波項相互作用強度時，二維的耦合參數空間中存在一個Z2對稱性破缺和U1對稱性破缺相交的量子三相點。有趣的是，當該模型存在一定強度的玻色子耗散時，理論預言U1對稱性破缺的邊界和三相點將會同時分裂為兩個，此外體系中還會出現一些新的相區域【如圖(a)所示】。然而，這一重要的耗散誘導的量子多臨界機制一直未能得到有效的實驗驗證。原因在于許多實驗上的光-原子相互作用體系不僅很難調控到多臨界相變所需的參數范圍，在此基礎上實現穩定可控的玻色子耗散通道更是一件難以完成的挑戰。
 

　　(a)具有多臨界相變行為的封閉和耗散Rabi模型。(b)非平衡穩態的量子變分算法。(c)封閉和耗散Rabi模型多臨界相變的實驗數據。
 

　　研究組一直致力于發展前沿的量子控制技術，并利用量子模擬的方法驗證光-原子相互作用領域內重要的現象和機理。此前同呂新友教授合作，研究組在核磁共振體系上利用基態的絕熱量子控制技術，成功實現了超越no-go定理的超輻射相變量子模擬【Nat. Commun. 12, 6281 (2021)】。在此基礎上，研究組不僅再次利用絕熱量子模擬技術實現了封閉Rabi模型的多臨界量子相變，還進一步在核磁共振量子模擬器上發展了非平衡穩態的變分量子模擬方法【如圖(b)所示】，將量子模擬的研究范圍從以往的封閉系統的基態擴展到了開放量子體系的穩態上。利用這一新型的量子模擬技術，研究組成功實現了耗散Rabi模型非平衡穩態的量子模擬，并測得了不同的耦合參數條件下耗散Rabi模型穩態的序參量【如圖(c)所示】，實驗結果高度符合理論預期。
 

　　研究結果表明，Rabi模型中的玻色子耗散通道不僅僅導致退相干效應，還帶來了新型的光-原子相互作用多臨界相變機制。該工作將耗散量子調控手段同變分量子算法成功結合，極大提升了實驗模擬開放量子體系的能力，因此這種耗散誘導的三相點分裂現象得以首次在實驗體系上被驗證。此外，這些穩態多臨界點附近豐富的相變性質也有望為量子傳感等領域提供關鍵的量子資源。
 

　　中國科大中國科學院微觀磁共振重點實驗室博士后吳澤、安徽師范大學胡長生博士、中國科大博士研究生王天韻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、安徽省等資助。