清華新聞網(wǎng)2月21日電 近日，清華大學(xué)交叉信息研究院段路明研究組在離子阱量子模擬領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，該小組利用單個(gè)囚禁離子模擬了量子拉比模型并首次在該模型中觀(guān)測(cè)到量子相變現(xiàn)象。
量子拉比模型是典型的光和物質(zhì)相互作用的全量子模型，該模型歷史悠久且內(nèi)涵豐富。其最早的半經(jīng)典版本由著名物理學(xué)家拉比于上個(gè)世紀(jì)三十年代提出，用于解釋微波核磁共振現(xiàn)象。近年來(lái)對(duì)于其全量子版本的理論研究興趣一直維持在很高的熱度，對(duì)于該模型的實(shí)驗(yàn)?zāi)M也在多個(gè)量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)展開(kāi)。作為最有潛力的量子模擬平臺(tái)之一，離子阱系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是和環(huán)境耦合小，參數(shù)可控度高。因此可以在維持必要的相干性的前提下，在多個(gè)參數(shù)區(qū)域模擬量子拉比模型。
離子實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖
量子相變一般需要多體系統(tǒng)在熱力學(xué)極限下才能發(fā)生，而單離子量子拉比模型可以展示一種新的量子相變，其熱力學(xué)極限不依賴(lài)于無(wú)窮多的離子，而是通過(guò)某些系統(tǒng)參數(shù)的比例趨于無(wú)窮來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種新的量子相變近年來(lái)在理論上引起廣泛關(guān)注，但實(shí)驗(yàn)中尚未觀(guān)測(cè)到，因?yàn)槠湫枰{(diào)控量子系統(tǒng)到極端的參數(shù)空間。段路明研究組發(fā)展了離子的量子調(diào)控方法，利用絕熱演化和高純度的態(tài)制備，將量子拉比模型推到極端的參數(shù)空間，在此基礎(chǔ)上觀(guān)測(cè)了兩個(gè)序參量的變化，包括離子自旋態(tài)和描述離子運(yùn)動(dòng)的聲子數(shù)，通過(guò)觀(guān)測(cè)序參量的演化，成功獲得了該模型存在量子相變的證據(jù)。該實(shí)驗(yàn)發(fā)展的量子調(diào)控方法在離子量子計(jì)算與模擬中也有重要應(yīng)用。
量子拉比模型序參量的演化和量子相變
該成果的研究論文《基于單離子的量子拉比模型中的量子相變觀(guān)測(cè)》(Observation of a quantum phase transition in the quantum Rabi model with a single trapped ion）刊發(fā)于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然?通訊》(Nature Communications)。論文共同第一作者為交叉信息研究院博士生蔡明磊、劉子都和趙文定，通訊作者為段路明教授。其他作者包括交叉信息研究院博士后吳宇?lèi)穑┦垦芯可啡?、姜越，副研究員何麗，副研究員周子超以及人民大學(xué)副教授張翔。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京量子信息研究院、國(guó)家自然科學(xué)基金和北京自然科學(xué)基金的資助與支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-21425-8
供稿：交叉信息研究院
編輯：陳曉艷
審核：呂婷
