清華新聞網(wǎng)5月9日電 近日，清華大學(xué)物理系劉永椿研究組提出利用單模非線(xiàn)性光學(xué)腔構(gòu)造時(shí)間晶體的方案，在該方案中，系統(tǒng)存在光子之間的相互作用，同時(shí)具有驅(qū)動(dòng)和耗散，是一個(gè)典型的開(kāi)放量子非線(xiàn)性系統(tǒng)。
時(shí)間晶體是傳統(tǒng)空間維度中的晶體在時(shí)間維度中的類(lèi)比。正如空間晶體具有周期性的晶體結(jié)構(gòu)，時(shí)間晶體的典型特征是長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定周期振蕩。這種周期振蕩并不來(lái)源于系統(tǒng)本身的周期性，而是源于自發(fā)的時(shí)間平移對(duì)稱(chēng)性破缺。時(shí)間晶體的概念在2012年由沙佩雷（Shapere）和威爾切克（Wilczek）（后者為2004年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主）提出之后，憑借其突破性的設(shè)想吸引了世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。盡管時(shí)間晶體最原始的構(gòu)思已經(jīng)被嚴(yán)格的no-go定理所否定，但人們發(fā)現(xiàn)通過(guò)適當(dāng)修改原始時(shí)間晶體的定義，可以規(guī)避此前no-go定理的限制，并保留時(shí)間平移對(duì)稱(chēng)性破缺的基本思想。例如，在一些周期驅(qū)動(dòng)非線(xiàn)性系統(tǒng)中產(chǎn)生的次諧波振蕩可以打破離散時(shí)間平移對(duì)稱(chēng)性，因此被稱(chēng)為離散時(shí)間晶體。另外，在開(kāi)放量子多體系統(tǒng)中，也有可能打破連續(xù)時(shí)間平移對(duì)稱(chēng)性，得到連續(xù)時(shí)間晶體。在理論計(jì)算方面，求解量子多體系統(tǒng)伴隨著系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的希爾伯特空間維度的指數(shù)增長(zhǎng)，難于嚴(yán)格計(jì)算，因此以往的工作通常使用平均場(chǎng)近似等簡(jiǎn)化模型，這導(dǎo)致多體系統(tǒng)中的量子時(shí)間晶體相是否是這些近似帶來(lái)的“贗信號(hào)”成為了一個(gè)有爭(zhēng)議的問(wèn)題。
該工作提出利用單模非線(xiàn)性光學(xué)腔構(gòu)造時(shí)間晶體的方案，系統(tǒng)存在光子之間的相互作用，同時(shí)具有驅(qū)動(dòng)和耗散，是一個(gè)典型的開(kāi)放量子非線(xiàn)性系統(tǒng)（圖1）。由于該模型只有單個(gè)光學(xué)模式，因此能夠很方便地進(jìn)行高精度的全量子計(jì)算，只需要有限的希爾伯特空間維度就可以得到很高的數(shù)值精度，從而可以排除平均場(chǎng)近似誤差的影響，能夠給出時(shí)間晶體存在的確切證據(jù)。該工作發(fā)現(xiàn)在熱力學(xué)極限下系統(tǒng)的劉維爾算符本征值實(shí)部會(huì)趨于零，相應(yīng)的系統(tǒng)光子數(shù)就會(huì)存在周期振蕩，且振蕩的弛豫時(shí)間為無(wú)窮長(zhǎng)（圖2），揭示該模型中時(shí)間晶體相的存在。
圖1.單模非線(xiàn)性光學(xué)腔模型示意圖
圖2.歸一化的腔內(nèi)光子數(shù)隨時(shí)間的演化，其中彩色實(shí)線(xiàn)代表不同非線(xiàn)性參數(shù)η情況下量子主方程給出的結(jié)果，黑色虛線(xiàn)代表經(jīng)典近似模型給出的結(jié)果
該工作進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)可以發(fā)生耗散相變，且相變點(diǎn)對(duì)應(yīng)于經(jīng)典近似中的Hopf分叉。系統(tǒng)發(fā)生耗散相變存在兩個(gè)證據(jù)，其一是在相變點(diǎn)處劉維爾帶隙的關(guān)閉（熱力學(xué)極限），其二是穩(wěn)態(tài)性質(zhì)的一階連續(xù)相變，包括量子極限環(huán)的出現(xiàn)和光子數(shù)統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的變化（圖3）。該相變的序參量可以用歸一化的光子數(shù)漲落來(lái)進(jìn)行描述。在平衡相，該漲落會(huì)在熱力學(xué)極限下趨近于零；而在時(shí)間晶體相，該漲落在熱力學(xué)極限下依然不為零。
圖3.（a）穩(wěn)態(tài)的量子Husimi分布圖，從左到右分別對(duì)應(yīng)時(shí)間晶體相、臨界區(qū)域和平衡相。（b）歸一化的光子數(shù)漲落隨系統(tǒng)參數(shù)的變化關(guān)系。曲線(xiàn)從上到下越來(lái)越接近熱力學(xué)極限。左邊粉色區(qū)域?yàn)闀r(shí)間晶體相，右邊藍(lán)色區(qū)域?yàn)槠胶庀?。（c）光子數(shù)統(tǒng)計(jì)分布隨系統(tǒng)參數(shù)的變化關(guān)系，在時(shí)間晶體相，光子數(shù)有較寬的分布
5月2日，該研究成果以“單模非線(xiàn)性光學(xué)腔中的時(shí)間晶體”（Time Crystal in a Single-Mode Nonlinear Cavity）為題發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）。
論文通訊作者為清華大學(xué)物理系劉永椿副教授，第一作者為清華大學(xué)物理系2020級(jí)博士生李耀華，論文合作者還包括清華大學(xué)物理系2021級(jí)博士生王晨陽(yáng)和2019級(jí)博士生唐原江。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年科學(xué)家項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、清華大學(xué)低維量子物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和量子信息前沿科學(xué)中心的資助，博士生李耀華還得到了首批國(guó)家自然科學(xué)基金青年學(xué)生基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（博士研究生）的資助。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.183803
供稿：物理系
題圖設(shè)計(jì)：趙存存
編輯：李華山
審核：郭玲
