原创 集智编辑部 2025-02-24 21:53 北京
研究人员利用陷阱离子量子模拟器首次在一维系统中观察到了有限能量相变。
关键词：一维系统，长程相互作用，量子模拟器，有限能量相变，铁磁相变，顺磁态
论文题目：Observation of a finite-energy phase transition in a one-dimensional quantum simulator
论文地址：https://www.nature.com/articles/s41567-024-02751-2
期刊名称：Nature Physics
近年来，量子模拟器的出现使我们得以研究高度可控的长程相互作用系统。本研究中，研究人员利用陷阱离子量子模拟器首次在一维系统中观察到了有限能量相变。传统上，平衡相变通常需要有序和无序相并存，而一维系统中无序相通常具有较低的自由能，因此不易出现相变。然而，长程相互作用的引入改变了这一状况。
研究方法与实验实现
研究团队通过在171Yb+离子的电子基态水平中编码伪自旋1/2，实现了一种长程相互作用模型。实验中，研究人员通过拉曼过程诱导离子间的有效伊辛相互作用（Ising interactions），并通过调整拉曼频率使相互作用指数衰减。为了消除相互作用的交替符号，实验通过空间上交错拉曼光束的相位来实现。此外，研究人员通过调整光束的光学频率来设定横向磁场的强度，从而实现多体自旋哈密顿量。
为了研究有限能量的相变，研究人员首先选择不同能量的初态，并让其在一维多体哈密顿量的动力学下热化。通过测量热化后的状态，研究团队绘制了长程相互作用量子系统的有限能量相图，观察到了铁磁平衡相变以及从低能量极化顺磁体到高能量非极化顺磁体的跨越。这些实验结果与数值模拟结果一致。
图 1. 观察一维离子链中的平衡相变。
实验结果与理论验证
实验结果显示，在低能量密度和小横向场的情况下，系统表现出较大的平方磁化量，而在高能量密度和大横向场时，平方磁化量较小，这与铁磁态和顺磁态之间的相变相符。研究还表明，通过改变系统规模，实验结果与无限系统大小的推测相一致，表明有限规模效应较弱。此外，实验中测得的关联函数进一步验证了在低能量下存在长程关联的铁磁有序态，而高能量状态则为无序态。
图 2. 平衡的验证。(a) 实验中随时间变化的平方磁化强度（点）和数值模拟（虚线）。(b) 利用a（点）的数据和相应的数值数据计算的时间演变的平方磁化的时间平均值。(c)，从b开始的最新时间实验数据点与实验时间到无限时间的数值数据的比较。
图 3. 平衡相图。探测区域对应图1c中的金框。(a) 实验磁化的平方。(b) 数值的平方。(c) 实验横向磁化。(d) 数值横向磁化。
结论与展望
本研究首次在一维系统中实现了有限能量相变的实验观察，提出了一种简单有效的方案来制备平衡态。这一方案不仅可以在其他量子模拟平台上应用，还为研究其他复杂量子现象提供了新方法。未来的研究可以利用量子模拟器的能力，通过不同的系统规模分析有限能量相变，从而更定量地研究相变。此外，该方法还可用于研究凝聚态物理中的长期悬而未决的问题，如自旋液体基态上的激发性质。
彭晨 | 编译
非平衡统计物理读书会启动！
详情请见：从热力学、生命到人工智能的统计物理之路：非平衡统计物理读书会启动！
推荐阅读
2. 超导量子计算机模拟基态和动态量子相变 | 复杂性科学顶刊精选8篇
3. 诺奖得主 Parisi 最新 Nature 速递：二维伊辛自旋玻璃的量子相变
4. 张江：第三代人工智能技术基础——从可微分编程到因果推理 | 集智学园全新课程
6. 加入集智，一起复杂！
点击“阅读原文”，报名读书会
