南科大學者在《物理評論快報》發表合作研究成果

近日，南方科技大學量子科學與工程研究院副研究員李俊、助理研究員辛濤，物理系副教授魯大為以及合作者香港中文大學（深圳）助理教授魏勃勃聯合，在基於核磁共振（NMR）量子計算平臺的四量子比特自旋系統上實現用非時序關聯函數探測平衡態量子相變和動力學量子相變，研究成果以「Experimental Observation of Equilibrium and Dynamical Quantum Phase Transitions via Out-of-Time-Ordered Correlators」為題在國際著名雜誌《物理評論快報》（Physical Review Letters )發表。

核磁共振（NMR）量子計算是真正的數字量子模擬，可以精確調控和模擬非常複雜的量子物理問題。量子相變是多體物理中最重要的現象之一，平衡態量子相變通常伴隨著序參量在相變臨界點附近的不連續變化，一般可以用重整化群理論來解釋。儘管科學家對平衡態量子相變的理論與實驗研究取得了很大的進展，如何去理解發生在遠離平衡態的量子相變仍然是個國際難題。近年來，隨著實驗技術手段的進步，孤立量子多體系統動力學中出現的動態量子相變在理論和實驗方面引起了很多的關注和興趣。最近的理論研究提出可以用非時序關聯函數（OTOC）來探測動力學量子相變的新方法。非時序關聯函數（OTOC）是定量描述量子信息無序擴散的一個基本概念，在之前的實驗研究中，該課題組曾第一次實現了OTOC的實驗測量工作，並且發表在國際著名物理刊物Physical Review X上(Phys. Rev. X 7, 031011 2017)。

圖(a) 在周期性橫場伊新模型中存在的兩種量子淬火行為：從鐵磁相到鐵磁相，以及從鐵磁相到順磁相的量子淬火行為。（b）利用OTOC在量子淬火行為之後的時間演化來區分系統中有無動態量子相變發生。（c）利用OTOC在較長時間尺度上的平均值來探測平衡態量子相變的臨界點。

研究團隊用四比特核磁共振量子模擬器觀測了四比特可積和不可積橫場伊辛模型上發生的平衡態量子相變和動力學量子相變。如圖（a）所示，他們先把系統製備到所有自旋朝上的完全極化態，即鐵磁相。然後迅速改變外場大小，即進行量子淬火過程，使其越過相變臨界點或者保持在鐵磁相。通過觀察此後OTOC的動力學演化過程可以判斷系統中有無動力學量子相變發生，OTOC對時間的平均值給出平衡態量子相變的臨界點，實驗結果分別如圖(b)和(c)所示。另外，還實驗比較了OTOC和兩體關聯函數作為序參量探測量子相變的優劣：雖然由於需要時間反演化操作的原因，實驗測量OTOC要更加困難，但是OTOC比兩體關聯函數在探測相變臨界點的時候能獲得的精度更高，同時對量子系統的退相干有更強的魯棒性。

該創新成果在實驗上首次通過OTOC探測平衡和動力學量子相變實驗揭示了OTOC和量子相變之間的深刻關係，開拓了用非平衡動力學的方法研究量子多體系統平衡態性質的新思路。

在該研究成果中，量子科學與工程研究院、物理系博士後聶新芳為第一作者，香港中文大學（深圳）助理教授魏勃勃為共同第一作者，辛濤、李俊、魯大為為共同通訊作者。該研究得到科技部、國家自然科學基金委、廣東省科技廳、深圳市科創委和南方科技大學等單位大力支持。

文章連結：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.250601