中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)自旋磁共振實(shí)驗(yàn)室林毅恒教授等人與理論合作者華中科技大學(xué)教授呂新友、四川大學(xué)特聘副研究員賓倩合作，在量子模擬方面取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)基于束縛離子體系，實(shí)驗(yàn)展示了量子拉比模型中宇稱對稱性保護(hù)的量子現(xiàn)象。該項(xiàng)研究揭示了對稱性對量子系統(tǒng)的重要影響，同時(shí)也為基于對稱性保護(hù)的量子器件提供了新的設(shè)計(jì)思路。該研究結(jié)果于5月16日以“Experimental Observation of Parity-Symmetry-Protected Phenomena in the Quantum Rabi Model with a Trapped Ion”為題，發(fā)表在《物理評論快報(bào)》上。

對稱性是物理學(xué)的核心概念之一，不僅構(gòu)筑了諸多理論體系的基礎(chǔ)，也在基礎(chǔ)研究與實(shí)際應(yīng)用之間架起橋梁。從氫原子光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)解析，到量子相變、拓?fù)湮飸B(tài)分類等前沿問題的研究，對稱性始終貫穿于物理學(xué)發(fā)展的各個(gè)層面。作為描述光與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典模型之一，量子拉比模型因其宇稱對稱性，使系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)嚴(yán)格限制在守恒宇稱的子空間中。該模型在量子光學(xué)、量子相變、臨界動(dòng)力學(xué)以及量子器件設(shè)計(jì)中具有廣泛應(yīng)用。盡管理論研究已預(yù)測宇稱對稱性的變化會顯著影響系統(tǒng)行為，然而如何構(gòu)建參數(shù)大范圍可調(diào)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并觀察與對稱性緊密相關(guān)的現(xiàn)象是亟待研究的熱點(diǎn)。

在本論文中，研究人員基于束縛離子體系中的自旋-聲子耦合系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)?zāi)M了一個(gè)高度可控的擴(kuò)展量子拉比模型，實(shí)現(xiàn)了超強(qiáng)耦合區(qū)與深強(qiáng)耦合區(qū)的精確調(diào)控。一方面，提出并實(shí)現(xiàn)了一種直接探測系統(tǒng)對稱性的方法。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在保持宇稱對稱性時(shí)，系統(tǒng)中出現(xiàn)奇數(shù)階邊帶躍遷禁戒現(xiàn)象；而破缺對稱性后，該禁戒特性消失。該方法不僅有效覆蓋超強(qiáng)至深強(qiáng)耦合區(qū)，也可推廣至其他物理平臺；另一方面，實(shí)驗(yàn)還觀察到系統(tǒng)基態(tài)的糾纏和量子疊加等現(xiàn)象與系統(tǒng)宇稱對稱性之間的重要關(guān)聯(lián)。此外，在深強(qiáng)耦合區(qū)，當(dāng)參數(shù)跨越對稱性轉(zhuǎn)變臨界點(diǎn)時(shí)，自旋的馮·諾依曼熵與聲子的維格納函數(shù)均表現(xiàn)出顯著的響應(yīng)（如圖所示），這一特性在量子精密測量和比特相干性研究等方面具有潛在應(yīng)用價(jià)值。這些研究為探索對稱性調(diào)控的量子現(xiàn)象及其在高精度量子技術(shù)中的應(yīng)用開辟了新途徑。

圖：自旋的馮·諾依曼熵隨著對稱性控制參數(shù)θ以及耦合強(qiáng)度λ的變化關(guān)系

研究中使用的束縛離子實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為開展量子模擬和量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)研究提供了有力支撐?；?Be+和40Ca+實(shí)驗(yàn)平臺，研究組還完成了多項(xiàng)重要的量子模擬研究工作，這些工作的研究主題包括拓?fù)湎嘧僛Phys. Rev. Lett. 129, 250501 (2022)]，量子熱機(jī)[arXiv:2404.15075]，高階奇異點(diǎn)[arXiv:2412.09776]，量子同步現(xiàn)象[arXiv:2504.00751]等。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士研究生趙興宇和四川大學(xué)物理學(xué)院特聘副研究員賓倩為該論文共同第一作者，林毅恒、呂新友為共同通訊作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金、科技部等支持。