中國科大首次實現(xiàn)了Rabi模型多臨界現(xiàn)象的量子模擬

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院微觀磁共振重點實驗室彭新華研究組和華中科技大學(xué)呂新友教授合作，在Rabi模型多臨界現(xiàn)象的量子模擬研究中取得了重要進(jìn)展。該研究通過發(fā)展開放量子體系的穩(wěn)態(tài)量子調(diào)控技術(shù)，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(xiàn)象，推動了開放體系量子相變以及非平衡穩(wěn)態(tài)量子模擬領(lǐng)域的發(fā)展。相關(guān)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(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》上[Phys. Rev. Lett.133,173602(2024)]。

多臨界現(xiàn)象廣泛存在于經(jīng)典物理世界中，例如熱力學(xué)中的三相點就是指物質(zhì)的三相（氣相、液相、固相）達(dá)到熱力學(xué)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(xiàn)象中蘊(yùn)含著重要的量子相變機(jī)理，同時也為量子度量和量子材料領(lǐng)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(dāng)獨立改變旋波項和反旋波項相互作用強(qiáng)度時，二維的耦合參數(shù)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(dāng)該模型存在一定強(qiáng)度的玻色子耗散時，理論預(yù)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(xiàn)一些新的相區(qū)域【如圖(a)所示】。然而，這一重要的耗散誘導(dǎo)的量子多臨界機(jī)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(diào)控到多臨界相變所需的參數(shù)范圍，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)穩(wěn)定可控的玻色子耗散通道更是一件難以完成的挑戰(zhàn)。

(a)具有多臨界相變行為的封閉和耗散Rabi模型。(b)非平衡穩(wěn)態(tài)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(shù)據(jù)。

研究組一直致力于發(fā)展前沿的量子控制技術(shù)，并利用量子模擬的方法驗證光-原子相互作用領(lǐng)域內(nèi)重要的現(xiàn)象和機(jī)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(tài)的絕熱量子控制技術(shù)，成功實現(xiàn)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(chǔ)上，研究組不僅再次利用絕熱量子模擬技術(shù)實現(xiàn)了封閉Rabi模型的多臨界量子相變，還進(jìn)一步在核磁共振量子模擬器上發(fā)展了非平衡穩(wěn)態(tài)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(tǒng)的基態(tài)擴(kuò)展到了開放量子體系的穩(wěn)態(tài)上。利用這一新型的量子模擬技術(shù)，研究組成功實現(xiàn)了耗散Rabi模型非平衡穩(wěn)態(tài)的量子模擬，并測得了不同的耦合參數(shù)條件下耗散Rabi模型穩(wěn)態(tài)的序參量【如圖(c)所示】，實驗結(jié)果高度符合理論預(yù)期。

研究結(jié)果表明，Rabi模型中的玻色子耗散通道不僅僅導(dǎo)致退相干效應(yīng)，還帶來了新型的光-原子相互作用多臨界相變機(jī)制。該工作將耗散量子調(diào)控手段同變分量子算法成功結(jié)合，極大提升了實驗?zāi)M開放量子體系的能力，因此這種耗散誘導(dǎo)的三相點分裂現(xiàn)象得以首次在實驗體系上被驗證。此外，這些穩(wěn)態(tài)多臨界點附近豐富的相變性質(zhì)也有望為量子傳感等領(lǐng)域提供關(guān)鍵的量子資源。