超輻射相變是一種在強(qiáng)耦合光-物質(zhì)相互作用系統(tǒng)中出現(xiàn)的量子相變，其特點(diǎn)是系統(tǒng)基態(tài)在臨界耦合強(qiáng)度處發(fā)生突變，從“正常相”躍遷至“超輻射相”，伴隨宏觀(guān)量子態(tài)的出現(xiàn)和對(duì)稱(chēng)性自發(fā)破缺。然而，在真實(shí)的腔量子電動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中，電磁場(chǎng)矢勢(shì)的平方項(xiàng)（即A²項(xiàng)）會(huì)產(chǎn)生“抗磁效應(yīng)”，使系統(tǒng)的有效勢(shì)能硬化，從而在理論上抑制甚至禁止相變的發(fā)生。這一難題引發(fā)了學(xué)界數(shù)十年的爭(zhēng)論，形成了所謂的“不可行定理”，成為實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)超輻射相變的主要理論障礙。

為了解決這一難題，數(shù)理學(xué)院固態(tài)混合量子器件團(tuán)隊(duì)的熊偉副教授聯(lián)合浙江大學(xué)博士后劉剛博士共同提出一種巧妙的混合系統(tǒng)構(gòu)型：將一個(gè)量子比特（如超導(dǎo)量子比特）與一個(gè)機(jī)械振動(dòng)模式耦合，構(gòu)成一個(gè)量子拉比模型；同時(shí)，該機(jī)械模式再通過(guò)輻射壓力與一個(gè)光學(xué)腔耦合，形成光力學(xué)子系統(tǒng)。通過(guò)將光學(xué)腔工作在“色散區(qū)域”并施加外部驅(qū)動(dòng)，研究人員得以“絕熱消除”腔場(chǎng)自由度，從而在有效哈密頓量中不僅保留了標(biāo)準(zhǔn)的量子拉比相互作用，還引入了一個(gè)可調(diào)控的人工A²項(xiàng)。有趣的是，這個(gè)人工A²項(xiàng)可以與系統(tǒng)中固有的A²項(xiàng)相互抵消。通過(guò)調(diào)節(jié)光力學(xué)耦合強(qiáng)度或腔場(chǎng)失諧，研究人員可以主動(dòng)控制抵消效果，甚至實(shí)現(xiàn)完全消除，從而恢復(fù)系統(tǒng)發(fā)生超輻射相變所需的“模式軟化”條件。這相當(dāng)于在理論上“繞過(guò)”了不可行定理的限制。

研究進(jìn)一步揭示，在該系統(tǒng)中，機(jī)械模式聲子的二階等時(shí)關(guān)聯(lián)函數(shù)可作為有效的序參量來(lái)表征相變：在正常相中，聲子呈現(xiàn)“聚束”統(tǒng)計(jì)特性；而在超輻射相中，聲子則表現(xiàn)為相干態(tài)統(tǒng)計(jì)。這一清晰的特征為實(shí)驗(yàn)探測(cè)提供了直觀(guān)的物理信號(hào)。更引人注目的是，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在相變點(diǎn)附近展現(xiàn)出強(qiáng)化的高階量子壓縮效應(yīng)。與傳統(tǒng)的二階壓縮不同，高階壓縮意味著更高階的量子漲落被壓制，這對(duì)于超越標(biāo)準(zhǔn)量子極限的精密測(cè)量具有重要意義。研究表明，在超輻射相變臨界點(diǎn)，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)近乎完美的高階壓縮，這為利用量子相變?cè)鰪?qiáng)非經(jīng)典光場(chǎng)制備提供了新思路。

這項(xiàng)工作不僅為解決超輻射相變的理論困境提供了切實(shí)可行的方案，也展示了混合量子系統(tǒng)（融合光力學(xué)與腔QED）在探索強(qiáng)關(guān)聯(lián)量子現(xiàn)象方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。它為未來(lái)在固態(tài)量子器件中實(shí)現(xiàn)可控的量子相變、制備非經(jīng)典態(tài)以及開(kāi)發(fā)新型量子傳感器與處理器件奠定了重要理論基礎(chǔ)。

該工作以題為“A²-robust superradiant phase transition in hybrid qubit-cavity optomechanics”于2025年12月23日在線(xiàn)發(fā)表于物理權(quán)威期刊《Physical Review A》，浙江大學(xué)劉剛博士為論文第一作者，數(shù)理學(xué)院熊偉副教授為論文唯一通訊作者。該研究得到了浙江省自然科學(xué)基金、浙江省重大研發(fā)計(jì)劃、深圳國(guó)際量子研究院及甘肅省青年科技基金等項(xiàng)目的支持。

原文鏈接：https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/cf1d-wn4h