我首次實現超越No-go定理的超輻射相變模擬

科技日報合肥11月9日電 （記者吳長鋒）記者9日從中國科學技術大學獲悉，該校彭新華研究組和華中科技大學呂新友教授合作，通過引入反壓縮操作，藉助於高精度的量子控制技術，首次成功地在核磁共振量子模擬器上實現了超越No-go定理的平衡態超輻射相變，推動了量子相變理論和量子模擬領域的發展，為量子精密測量提供了新的途徑。相關研究成果日前在線發表於國際學術期刊《自然·通訊》上。

平衡態的超輻射相變自從上世紀70年代初被理論預言以來，一直是統計物理和電動力學重要的研究課題，而且為量子信息科學提供了關鍵的量子資源。然而平衡態的超輻射相變始終沒有在真實的腔QED系統上觀測到。這當中最為關鍵的是，腔QED系統中自然存在的矢勢平方項使得相變點落在了物理上無法達到的參數區域內——即所謂的No-go定理，因此平衡態超輻射相變的實驗研究極具挑戰性。

研究組實驗上利用了絕熱量子控制的方法將量子模擬體系製備到腔QED系統哈密頓量對應的基態，且基於精密的量子控制技術實現了關鍵的反壓縮操作，然後通過測量序參量的變化觀察到了超輻射相變的恢復。此外實驗還通過量子態層析技術，展示了伴隨着進入超輻射相，系統被製備到了高度糾纏的壓縮薛定諤貓態上。

研究結果表明，壓縮/反壓縮操作能夠有效調控量子相變點，即使在矢勢平方項存在的情況下也能恢復平衡態的超輻射相變。這不僅打破了No-go定理對相關領域進一步發展所造成的潛在阻礙，而且啓發了後續研究者將更先進的量子控制技術應用到光—物質相互作用、凝聚態等複雜體系的實驗研究上；實驗中製備的高度糾纏態（壓縮態）也有望為量子度量和容錯量子計算領域提供關鍵的量子資源。審稿人對該工作給予了高度評價：“這是整個量子模擬領域的一個重要的實驗。”