近日，南方科技大学量子科学与工程研究院副研究员李俊、助理研究员辛涛，物理系副教授鲁大为以及合作者香港中文大学（深圳）助理教授魏勃勃联合，在基于核磁共振（NMR）量子计算平台的四量子比特自旋系统上实现用非时序关联函数探测平衡态量子相变和动力学量子相变，研究成果以“Experimental Observation of Equilibrium and Dynamical Quantum Phase Transitions via Out-of-Time-Ordered Correlators”为题在国际著名杂志《物理评论快报》（Physical Review Letters )发表。

核磁共振（NMR）量子计算是真正的数字量子模拟，可以精确调控和模拟非常复杂的量子物理问题。量子相变是多体物理中最重要的现象之一，平衡态量子相变通常伴随着序参量在相变临界点附近的不连续变化，一般可以用重整化群理论来解释。尽管科学家对平衡态量子相变的理论与实验研究取得了很大的进展，如何去理解发生在远离平衡态的量子相变仍然是个国际难题。近年来，随着实验技术手段的进步，孤立量子多体系统动力学中出现的动态量子相变在理论和实验方面引起了很多的关注和兴趣。最近的理论研究提出可以用非时序关联函数（OTOC）来探测动力学量子相变的新方法。非时序关联函数（OTOC）是定量描述量子信息无序扩散的一个基本概念，在之前的实验研究中，该课题组曾第一次实现了OTOC的实验测量工作，并且发表在国际著名物理刊物Physical Review X上(Phys. Rev. X 7, 031011 2017)。

图(a) 在周期性横场伊新模型中存在的两种量子淬火行为：从铁磁相到铁磁相，以及从铁磁相到顺磁相的量子淬火行为。（b）利用OTOC在量子淬火行为之后的时间演化来区分系统中有无动态量子相变发生。（c）利用OTOC在较长时间尺度上的平均值来探测平衡态量子相变的临界点。

研究团队用四比特核磁共振量子模拟器观测了四比特可积和不可积横场伊辛模型上发生的平衡态量子相变和动力学量子相变。如图（a）所示，他们先把系统制备到所有自旋朝上的完全极化态，即铁磁相。然后迅速改变外场大小，即进行量子淬火过程，使其越过相变临界点或者保持在铁磁相。通过观察此后OTOC的动力学演化过程可以判断系统中有无动力学量子相变发生，OTOC对时间的平均值给出平衡态量子相变的临界点，实验结果分别如图(b)和(c)所示。另外，还实验比较了OTOC和两体关联函数作为序参量探测量子相变的优劣：虽然由于需要时间反演化操作的原因，实验测量OTOC要更加困难，但是OTOC比两体关联函数在探测相变临界点的时候能获得的精度更高，同时对量子系统的退相干有更强的鲁棒性。

该创新成果在实验上首次通过OTOC探测平衡和动力学量子相变实验揭示了OTOC和量子相变之间的深刻关系，开拓了用非平衡动力学的方法研究量子多体系统平衡态性质的新思路。

在该研究成果中，量子科学与工程研究院、物理系博士后聂新芳为第一作者，香港中文大学（深圳）助理教授魏勃勃为共同第一作者，辛涛、李俊、鲁大为为共同通讯作者。该研究得到科技部、国家自然科学基金委、广东省科技厅、深圳市科创委和南方科技大学等单位大力支持。

文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.250601

供稿单位：量子科学与工程研究院

通讯员：刘芳璐

编辑：程雯璟