華中科技大學物理學院量子光學與原子物理研究團隊呂新友教授與中國科學技術大學中國科學院微觀磁共振重點實驗室杜江峰團隊彭新華研究組合作，在超輻射相變量子類比的實驗研究中取得重要進展。該合作研究組通過引入反壓縮操作，首次成功地在核磁共振量子模擬器上實驗實現了超越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類比領域的發展，為量子精密量測提供了新的途徑。相關研究成果於11月1日以“Experimental quantum simulation of superradiantphase transition beyond no-go theorem viaantisqueezing”為題線上發表於國際學術期刊《自然·通訊》上[Nat.Commun.12，6281（2021）]。呂新友教授和彭新華教授為該文共同通訊作者。
平衡態的超輻射相變自從上世紀七十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，而且為量子資訊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。一方面，現時的腔QED科技通常很難滿足平衡態超輻射相變所需的臨界參數和超低溫基態的製備；更關鍵的是，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。華中科技大學呂新友教授和吳穎教授長期研究突破No-go定理的超輻射相變理論，並取得了重要成果。他們提出利用平方光力相互作用誘導的反壓縮效應實現突破No-go定理的超輻射相變理論，分別在混雜Dicke模型[Phys. Rev. Applied 9064006（2018）]和Rabi模型[Phys. Rev. A 97，033807（2018）]中理論預言了在矢勢平方項存在的情况下超輻射相變的發生。該實驗工作是上述理論工作中覈心思想的實驗驗證。
圖1（a）自旋體系到Rabi模型的對應方案。（b）包含矢勢平方項和反壓縮項的Rabi模型相變示意圖。
該合作研究組基於核磁共振量子模擬器，類比驗證了不包含矢勢平方項的Rabi模型的超輻射相變以及No-go定理的機制；進一步巧妙地引入了額外的反壓縮操作，指數增强系統的零點漲落，在矢勢平方項存在的情况下成功觀測到了超輻射相變。相關研究結果表明，壓縮/反壓縮操作能够有效調控量子相變點，即使在矢勢平方項存在的情况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潜在阻礙，而且啟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、凝態等複雜體系的研究上；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了關鍵的量子資源。
圖2：實驗結果（a）未引入反壓縮項時體系的序參量行為（b）引入反壓縮項後的序參量在不同的參數下的行為（c）超輻射相和正常相體系所處量子態的Wigner函數。
該研究得到了科技部、國家自然科學基金委等資助。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-26573-5