段路明研究組首次觀測到單離子量子相變
2021年02月21日 瀏覽次數: 0
近日，清華大學交叉信息研究院段路明研究組在離子阱量子模擬領域取得重要進展，該小組利用單個囚禁離子模擬了量子拉比模型并首次在該模型中觀測到量子相變現象。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測》（Observation of a quantum phase transition in the quantum Rabi model with a single trapped ion）刊發于國際學術期刊《自然•通訊》。
量子拉比模型是典型的光和物質相互作用的全量子模型，該模型歷史悠久且內涵豐富。其最早的半經典版本由著名物理學家拉比于上個世紀三十年代提出用于解釋微波核磁共振現象。近年來對于其全量子版本的理論研究興趣一直維持在很高的熱度，對于該模型的實驗模擬也在多個量子光學實驗平臺展開。作為最有潛力的量子模擬平臺之一，離子阱系統的優勢是和環境耦合小，參數可控度高。因此可以在維持必要的相干性的前提下，在多個參數區域模擬量子拉比模型。
離子實驗系統示意圖
量子相變一般需要多體系統在熱力學極限下才能發生，而單離子量子拉比模型可以展示一種新的量子相變，其熱力學極限不在依賴于無窮多的離子，而是通過某些系統參數的比例趨于無窮來實現。這種新的量子相變近年來在理論上引起廣泛關注，但實驗上尚未觀測到，因為其需要調控量子系統到極端的參數空間。段路明研究組發展了離子的量子調控方法，利用絕熱演化和高純度的態制備，將量子拉比模型推到極端的參數空間，在此基礎上觀測了兩個序參量的變化，包括離子自旋態和描述離子運動的聲子數，通過觀測序參量的演化，成功獲得了該模型存在量子相變的證據。該實驗發展的量子調控方法在離子量子計算與模擬中也有重要應用。
量子拉比模型序參量的演化和量子相變
該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愷，博士研究生梅全鑫、姜越，助理研究員何麗、周子超以及中國人民大學副教授張翔。該工作得到了國家重點研發計劃、北京量子信息研究院、國家自然科學基金和北京自然科學基金的資助與支持。
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