微观磁共振要点试验室彭新华研讨组和华中科技大学吕新友教授协作，在Rabi模型多临界现象的量子模仿研讨中取得了重要开展。该研讨经过开展敞开量子系统的稳态量子调控技能，初次成功地在核磁共振量子模仿器上验证了关闭和耗散Rabi模型中的量子多临界现象，推动了敞开系统量子相变以及非平衡稳态量子模仿范畴的开展。相关研讨成果于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《物理谈论快报》上[Phys. Rev. Lett.133,173602(2024)]。

  多临界现象广泛存在于经典物理国际中，例如热力学中的三相点就是指物质的三相（气相、液相、固相）到达热力学平衡共存时的多临界点。在量子相变理论中，三相点则被界说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，一起也为量子衡量和量子资料范畴供给了丰厚的量子资源。在描绘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。风趣的是，当该模型存在必定强度的玻色子耗散时，理论预言U1对称性破缺的鸿沟和三相点将会一起割裂为两个，此外系统中还会呈现一些新的相区域【如图(a)所示】。但是，这一重要的耗散诱导的量子多临界机制一向未能得到必定作用的试验验证。原因首要在于许多试验上的光-原子相互作用系统不只很难调控到多临界相变所需的参数规模，在此基础上完成安稳可控的玻色子耗散通道更是一件难以完成的应战。

  (a)具有多临界相变行为的关闭和耗散Rabi模型。(b)非平衡稳态的量子变分算法。(c)关闭和耗散Rabi模型多临界相变的试验数据。

  研讨组一直致力于开展前沿的量子操控技能，并使用量子模仿的办法验证光-原子相互作用范畴内重要的现象和机理。此前同吕新友教授协作，研讨组在核磁共振系统上使用基态的绝热量子操控技能，成功完成了逾越no-go定理的超辐射相变量子模仿【Nat. Commun. 12, 6281 (2021)】。在此基础上，研讨组不只再次使用绝热量子模仿技能完成了关闭Rabi模型的多临界量子相变，还进一步在核磁共振量子模仿器上开展了非平衡稳态的变重量子模仿办法【如图(b)所示】，将量子模仿的研讨规模从以往的关闭系统的基态扩展到了敞开量子系统的稳态上。使用这一新式的量子模仿技能，研讨组成功完成了耗散Rabi模型非平衡稳态的量子模仿，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】，试验成果高度契合理论预期。

  研讨依据成果得出，Rabi模型中的玻色子耗散通道不只仅导致退相干效应，还带来了新式的光-原子相互作用多临界相变机制。该作业将耗散量子调控手法同变重量子算法成功结合，极大提升了试验模仿敞开量子系统的才能，因而这种耗散诱导的三相点割裂现象得以初次在试验系统上被验证。此外，这些稳态多临界点邻近丰厚的相变性质也有望为量子传感等范畴供给要害的量子资源。

  我国科大我国科学院微观磁共振要点试验室博士后吴泽、安徽师范大学胡长生博士、我国科大博士研讨生王天韵为该文一起榜首作者。彭新华教授和吕新友教授为该文一起通讯作者。该研讨得到了科技部、国家自然科学基金委、安徽省等赞助。

  （我国科学院微观磁共振要点试验室、物理学院、我国科学院量子信息和量子科学技能创新研讨院、科研部）