华中科技大学物理学院量子光学与原子物理研究团队吕新友教授与中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室杜江峰团队彭新华研究组合作，在超辐射相变量子模拟的实验研究中取得重要进展。该合作研究组通过引入反压缩操作，首次成功地在核磁共振量子模拟器上实验实现了超越No-go定理的平衡态超辐射相变，推动了量子相变理论和量子模拟领域的发展，为量子精密测量提供了新的途径。相关研究成果于11月1日以“Experimental quantum simulation of superradiantphase transition beyond no-go theorem viaantisqueezing”为题在线发表于国际学术期刊《自然·通讯》上[Nat.Commun.12, 6281 (2021)]。吕新友教授和彭新华教授为该文共同通讯作者。

平衡态的超辐射相变自从上世纪七十年代初被理论预言以来，一直是统计物理和电动力学重要的研究课题，而且为量子信息科学提供了关键的量子资源。然而平衡态的超辐射相变始终没有在真实的腔QED系统上观测到。一方面，目前的腔QED技术通常很难满足平衡态超辐射相变所需的临界参数和超低温基态的制备；更关键的是，腔QED系统中自然存在的矢势平方项使得相变点落在了物理上无法达到的参数区域内——即所谓的No-go定理。华中科技大学吕新友教授和吴颖教授长期研究突破No-go定理的超辐射相变理论，并取得了重要成果。他们提出利用平方光力相互作用诱导的反压缩效应实现突破No-go定理的超辐射相变理论，分别在混杂Dicke模型[Phys. Rev. Applied 9,064006(2018)]和Rabi模型[Phys. Rev. A 97, 033807(2018)]中理论预言了在矢势平方项存在的情况下超辐射相变的发生。该实验工作是上述理论工作中核心思想的实验验证。

图1(a)自旋体系到Rabi模型的对应方案。(b)包含矢势平方项和反压缩项的Rabi模型相变示意图。

该合作研究组基于核磁共振量子模拟器，模拟验证了不包含矢势平方项的Rabi模型的超辐射相变以及No-go定理的机制；进一步巧妙地引入了额外的反压缩操作，指数增强系统的零点涨落，在矢势平方项存在的情况下成功观测到了超辐射相变。相关研究结果表明，压缩/反压缩操作能够有效调控量子相变点，即使在矢势平方项存在的情况下也能恢复平衡态的超辐射相变。这不仅打破了No-go定理对相关领域进一步发展所造成的潜在阻碍，而且启发了后续研究者将更先进的量子控制技术应用到光-物质相互作用、凝聚态等复杂体系的研究上；实验中制备的高度纠缠态（压缩态）也有望为量子度量和容错量子计算领域提供了关键的量子资源。

图2：实验结果(a)未引入反压缩项时体系的序参量行为(b)引入反压缩项后的序参量在不同的参数下的行为(c)超辐射相和正常相体系所处量子态的Wigner函数。

该研究得到了科技部、国家自然科学基金委等资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-26573-5