清华大学交叉信息研究院段路明研究组首次观测到单离子量子相变

近日,清华大学交叉信息研究院段路明研究组在离子阱量子模拟领域取得重要进展,该小组利用单个囚禁离子模拟了量子拉比模型并首次在该模型中观测到量子相变现象。

量子拉比模型是典型的光和物质相互作用的全量子模型,该模型历史悠久且内涵丰富。其最早的半经典版本由著名物理学家拉比于上个世纪三十年代提出,用于解释微波核磁共振现象。近年来对于其全量子版本的理论研究兴趣一直维持在很高的热度,对于该模型的实验模拟也在多个量子光学实验平台展开。作为最有潜力的量子模拟平台之一,离子阱系统的优势是和环境耦合小,参数可控度高。因此可以在维持必要的相干性的前提下,在多个参数区域模拟量子拉比模型。

离子实验系统示意图

量子相变一般需要多体系统在热力学极限下才能发生,而单离子量子拉比模型可以展示一种新的量子相变,其热力学极限不依赖于无穷多的离子,而是通过某些系统参数的比例趋于无穷来实现。这种新的量子相变近年来在理论上引起广泛关注,但实验中尚未观测到,因为其需要调控量子系统到极端的参数空间。段路明研究组发展了离子的量子调控方法,利用绝热演化和高纯度的态制备,将量子拉比模型推到极端的参数空间,在此基础上观测了两个序参量的变化,包括离子自旋态和描述离子运动的声子数,通过观测序参量的演化,成功获得了该模型存在量子相变的证据。该实验发展的量子调控方法在离子量子计算与模拟中也有重要应用。

量子拉比模型序参量的演化和量子相变

该成果的研究论文《基于单离子的量子拉比模型中的量子相变观测》(Observation of a quantum phase transition in the quantum Rabi model with a single trapped ion)刊发于国际学术期刊《自然•通讯》(Nature Communications)。论文共同第一作者为交叉信息研究院博士生蔡明磊、刘子都和赵文定,通讯作者为段路明教授。其他作者包括交叉信息研究院博士后吴宇恺,博士研究生梅全鑫、姜越,副研究员何丽,副研究员周子超以及人民大学副教授张翔。该工作得到了国家重点研发计划、北京量子信息研究院、国家自然科学基金和北京自然科学基金的资助与支持。

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