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研究组和华中科技大学吕新友教授合作，在Rabi模型多临界现象的量子模拟研究中取得了重要进展。该研究通过发展开放量子体系的稳态量子调控技术，首次成功地在核磁共振量子模拟器上验证了封闭和耗散Rabi模型中的量子多临界现象，推动了开放体系量子相变以及非平衡稳态量子模拟领域的发展。相关研究成果于10月23日以“Experimental Quantum Simulation of Multicriticality in Closed and Open Rabi Model”为题在线发表于国际学术期刊《物理评论快报》上[Phys. Rev. Lett.133,173602(2024)]。
多临界现象广泛存在于经典物理世界中，例如热力学中的三相点就是指物质的三相（气相、液相、固相）达到热力学平衡共存时的多临界点。在量子相变理论中，三相点则被定义为一阶量子相变和二阶量子相变的交汇点。量子多临界现象中蕴含着重要的量子相变机理，同时也为量子度量和量子材料领域提供了丰富的量子资源。在描述光和原子相互作用的Dicke模型或Rabi模型中，当独立改变旋波项和反旋波项相互作用强度时，二维的耦合参数空间中存在一个Z2对称性破缺和U1对称性破缺相交的量子三相点。有趣的是，当该模型存在一定强度的玻色子耗散时，理论预言U1对称性破缺的边界和三相点将会同时分裂为两个，此外体系中还会出现一些新的相区域【如图(a)所示】。然而，这一重要的耗散诱导的量子多临界机制一直未能得到有效的实验验证。原因在于许多实验上的光-原子相互作用体系不仅很难调控到多临界相变所需的参数范围，在此基础上实现稳定可控的玻色子耗散通道更是一件难以完成的挑战。
(a)具有多临界相变行为的封闭和耗散Rabi模型。(b)非平衡稳态的量子变分算法。(c)封闭和耗散Rabi模型多临界相变的实验数据。
研究组一直致力于发展前沿的量子控制技术，并利用量子模拟的方法验证光-原子相互作用领域内重要的现象和机理。此前同吕新友教授合作，研究组在核磁共振体系上利用基态的绝热量子控制技术，成功实现了超越no-go定理的超辐射相变量子模拟【Nat. Commun. 12, 6281 (2021)】。在此基础上，研究组不仅再次利用绝热量子模拟技术实现了封闭Rabi模型的多临界量子相变，还进一步在核磁共振量子模拟器上发展了非平衡稳态的变分量子模拟方法【如图(b)所示】，将量子模拟的研究范围从以往的封闭系统的基态扩展到了开放量子体系的稳态上。利用这一新型的量子模拟技术，研究组成功实现了耗散Rabi模型非平衡稳态的量子模拟，并测得了不同的耦合参数条件下耗散Rabi模型稳态的序参量【如图(c)所示】，实验结果高度符合理论预期。
研究结果表明，Rabi模型中的玻色子耗散通道不仅仅导致退相干效应，还带来了新型的光-原子相互作用多临界相变机制。该工作将耗散量子调控手段同变分量子算法成功结合，极大提升了实验模拟开放量子体系的能力，因此这种耗散诱导的三相点分裂现象得以首次在实验体系上被验证。此外，这些稳态多临界点附近丰富的相变性质也有望为量子传感等领域提供关键的量子资源。
中国科大中国科学院微观磁共振重点实验室博士后吴泽、安徽师范大学胡长生博士、中国科大博士研究生王天韵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、安徽省等资助。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.133.173602
（中国科学院微观磁共振重点实验室、物理学院、中国科学院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）
