中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室彭新华教授研究组和华中科技大学吕新友教授合作，在超辐射相变量子模拟的实验研究中取得重要进展。该合作研究组通过引入反压缩操作，借助于高精度的量子控制技术，首次成功地在核磁共振量子模拟器上实验实现了超越no-go定理的平衡态超辐射相变，推动了量子相变理论和量子模拟领域的发展，为量子精密测量提供了新的途径。相关研究成果于11月1日以“experimental quantum simulation of superradiant phase transition beyond no-go theorem via antisqueezing”为题在线发表于国际学术期刊《自然·通讯》上[nat. commun. 12, 6281 (2021)]。
平衡态的超辐射相变自从上世纪七十年代初被理论预言以来，一直是统计物理和电动力学重要的研究课题，而且为量子信息科学提供了关键的量子资源。然而平衡态的超辐射相变始终没有在真实的腔qed系统上观测到。一方面，目前的腔qed技术通常很难满足平衡态超辐射相变所需的临界参数和超低温基态的制备；更关键的是，腔qed系统中自然存在的矢势平方项使得相变点落在了物理上无法达到的参数区域内——即所谓的no-go定理，因此平衡态超辐射相变的实验研究极具挑战性。
图 1 (a)自旋体系到rabi模型的对应方案。(b)包含矢势平方项和反压缩项的rabi模型相变示意图。
研究组基于核磁共振量子模拟器，模拟验证了不包含矢势项的rabi模型的超辐射相变以及no-go定理的机制；进一步巧妙地引入了额外的反压缩操作，指数增强系统的零点涨落，在矢势平方项存在的情况下成功观测到了超辐射相变，突破了no-go定理的限制。具体来说，研究组实验上利用了绝热量子控制的方法将量子模拟体系制备到腔qed系统哈密顿量对应的基态，且基于精密的量子控制技术实现了关键的反压缩操作，然后通过测量序参量（平均光子数）的变化观察到了超辐射相变的恢复。此外实验还通过量子态层析技术，展示了伴随着进入超辐射相，系统被制备到了高度纠缠的压缩薛定谔猫态上。
图2：实验结果(a)未引入反压缩项时体系的序参量行为。(b)引入反压缩项后的序参量在不同的参数下的行为。
(c)超辐射相和正常相体系所处量子态的wigner函数。
研究结果表明，压缩/反压缩操作能够有效调控量子相变点，即使在矢势平方项存在的情况下也能恢复平衡态的超辐射相变。这不仅打破了no-go定理对相关领域进一步发展所造成的潜在阻碍，而且启发了后续研究者将更先进的量子控制技术应用到光-物质相互作用、凝聚态等复杂体系的实验研究上；实验中制备的高度纠缠态（压缩态）也有望为量子度量和容错量子计算领域提供了关键的量子资源。审稿人对该工作给予了高度评价：“this is an important experiment for the whole field of quantum simulation and well-suited for a publication in nature communications.”(这是整个量子模拟领域的一个重要的实验，非常适合发表在《自然·通讯》上)。
彭新华教授研究组一直致力于在核磁共振体系上模拟各种有价值的复杂量子体系，并取得了一系列进展，包括李-杨零点的实验观测（phys. rev. lett. 114, 010601），非时序关联（otoc）的测量（phys. rev. x 7, 031011），以及量子拓扑序的实验探测（nat. phys. 14, 160–165, 2018）等，积累了丰富的量子模拟经验并发展了国际前沿的量子控制技术。
中国科学院微观磁共振重点实验室博士研究生陈希（已毕业）和吴泽为该文共同第一作者，彭新华教授和吕新友教授为该文共同通讯作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委和安徽省的资助。
论文链接：
(中国科学院微观磁共振重点实验室、物理学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心、中国科学院量子信息和量子科技创新研究院、科研部)