量子相變新突破：超越古典直覺的奇異現象

量子系統的相變不僅僅是簡單的狀態轉換，它們以一種完全違背古典物理直覺的方式進行。最近，一項突破性實驗首次直接觀測到了「耗散相變」（DPTs），揭示了在精密控制條件下量子態如何轉變。這項發現可能為穩定量子電腦和感測器提供強大的新技術，使其比以往更具韌性和精確性。

相變，例如水結冰，是我們日常生活中熟悉的現象。然而，在量子系統中，這些轉變可能更加極端，並受到海森堡不確定性等原理的支配。此外，外部影響可能導致量子系統向周圍環境失去能量，這種過程稱為「耗散」。當耗散發生時，它可能驅使系統進入一個新的狀態，這種現象被稱為「耗散相變」（DPT）。

耗散相變可以根據其階數進行分類。一階耗散相變是突發性的，就像開關的切換，使系統從一個狀態跳躍到另一個狀態。二階耗散相變則更為漸進，但仍然具有重大意義，它會以微妙但轉型的方式改變系統的基本特性，例如對稱性。

理解耗散相變對於研究在熱平衡之外運作的量子系統至關重要，因為古典熱力學在這些情況下幾乎無法提供洞察。除了理論上的重要性，這些相變在量子技術中也有實際應用。例如，二階耗散相變可以改善量子資訊儲存，而一階耗散相變則提供了對系統穩定性和控制的深入理解，這兩者對於推進量子計算和感測技術都至關重要。

多年來，物理學家從理論上預測，耗散相變會表現出獨特的特徵，例如雙穩態（兩個狀態的共存）和臨界減速（在轉變點附近的延遲反應），並遵循特定的數學模式。然而，直接觀測這些效應——尤其是二階耗散相變——一直是一個重大挑戰。

現在，一項突破性實驗成功實現了這一目標。由EPFL的Pasquale Scarlino教授領導的研究團隊，利用超導Kerr諧振器——一種高度可調的量子裝置，成功觀測到了耗散相變。透過引入雙光子驅動，他們精確控制和監測了系統的量子態，從而能夠追蹤其在不同相之間的轉變。

為了確保實驗的準確性，研究在接近絕對零度的溫度下進行，幾乎消除了背景噪音。Kerr諧振器在此過程中起到了關鍵作用，因為它能夠放大通常難以觀測的量子效應。由於其對雙光子訊號的極端敏感性，研究人員能夠以前所未有的精確度探索相變，這是傳統實驗裝置無法實現的。

實驗裝置使團隊能夠用超高靈敏度的探測器監測諧振器發出的光子行為。透過使用先進的數學技術，例如與Liouvillian超運算元光譜特性的聯絡，科學家們能夠精確追蹤和分析系統的相變。

在二階耗散相變中，團隊觀察到了一種稱為「壓縮」的現象，其中量子波動降至比空白的自然背景噪音更低的水平，這表明系統已達到高度敏感和轉型狀態。同時，一階耗散相變則顯示出明顯的滯後迴圈，系統可以根據引數的調整存在於兩種狀態中。

此外，他們在一階耗散相變中發現了明顯的亞穩態，系統在突然轉變到另一狀態之前會暫時保持在一個穩定狀態。這種行為展示了滯後現象，即系統的狀態取決於其先前的歷史，這表明一階耗散相變涉及競爭的相。

最後，他們在兩種相變中都觀察到了臨界減速，這重現了理論預期的縮放比例，進一步驗證了基於Liouvillian理論的預測。在臨界點附近，系統的反應顯著減慢，這凸顯了相變的一個普遍特徵，這可能被用於更精確的量子測量。

理解耗散相變為設計既穩定又靈敏的量子系統開闢了新的可能性。這可能徹底改變數子資訊技術，例如量子計算中的錯誤校正或超靈敏量子感測器的開發。

更廣泛地說，這項研究展示了跨學科合作的力量——結合實驗物理學、先進理論模型和尖端工程，探索科學的前沿。正如論文的第一作者Guillaume Beaulieu所說：「這項工作的一個非常有趣的方面是，它展示了理論與實驗之間的緊密合作如何能夠取得遠超任何一方獨立完成的成果。」

參考文獻：Guillaume Beaulieu, Fabrizio Minganti, Simone Frasca, Vincenzo Savona, Simone Felicetti, Roberto Di Candia and Pasquale Scarlino, Observation of first- and second-order dissipative phase transitions in a two-photon driven Kerr resonator, Nature Communications, 10 March 2025. DOI: 10.1038/s41467-025-56830-w