近日，科學(xué)界迎來一項(xiàng)重大突破！物理學(xué)家成功觀測到了量子系統(tǒng)中的“耗散相變”（DPTs），這一發(fā)現(xiàn)比人們預(yù)想的還要令人驚嘆。

在日常生活中，像水結(jié)冰這樣的相變現(xiàn)象很常見。但在神秘的量子世界里，相變卻大不相同。量子系統(tǒng)的相變遵循海森堡不確定性原理等特殊規(guī)則，而且外界影響會讓量子系統(tǒng)向周圍環(huán)境散失能量，也就是“耗散”。當(dāng)耗散發(fā)生時，量子系統(tǒng)就可能進(jìn)入一種全新的狀態(tài)，這就是“耗散相變”。

耗散相變分為不同類型，其中一階耗散相變就像突然撥動開關(guān)，系統(tǒng)會瞬間從一種狀態(tài)跳到另一種狀態(tài)；二階耗散相變則相對溫和一些，但同樣會對系統(tǒng)的基本屬性，比如對稱性，產(chǎn)生微妙卻關(guān)鍵的改變。

理解耗散相變對研究量子系統(tǒng)意義重大。在那些經(jīng)典熱力學(xué)無法解釋的非熱平衡量子系統(tǒng)中，耗散相變起著關(guān)鍵作用。從實(shí)際應(yīng)用角度看，二階耗散相變有助于提升量子信息存儲能力，一階耗散相變則能幫助我們更好地了解系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制方法，這些對量子計(jì)算和傳感技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。

多年來，物理學(xué)家雖在理論上預(yù)測了耗散相變的一些特性，像雙穩(wěn)態(tài)（兩種狀態(tài)共存）和臨界慢化（在相變點(diǎn)附近響應(yīng)延遲），但想要直接觀察到這些現(xiàn)象，尤其是二階耗散相變的相關(guān)現(xiàn)象，一直困難重重。

不過，現(xiàn)在情況有了轉(zhuǎn)機(jī)。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的帕斯夸萊·斯卡利諾教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，利用超導(dǎo)克爾諧振器完成了一項(xiàng)突破性實(shí)驗(yàn)。他們通過向系統(tǒng)注入成對的光子，也就是雙光子驅(qū)動技術(shù)，精確控制并監(jiān)測量子系統(tǒng)的狀態(tài)，成功觀察到了系統(tǒng)的相變過程。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員不斷調(diào)整失諧量和驅(qū)動幅度等參數(shù)，研究系統(tǒng)在不同量子狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換，最終成功觀測到了一階和二階耗散相變。

為了保證實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確，整個過程是在接近絕對零度的極低溫度下進(jìn)行的，這樣能最大程度減少背景噪聲。克爾諧振器發(fā)揮了關(guān)鍵作用，它能放大那些難以觀測的量子效應(yīng)，讓研究人員可以以前所未有的精度研究相變。研究團(tuán)隊(duì)還借助超靈敏探測器監(jiān)測諧振器發(fā)出的光子，并運(yùn)用先進(jìn)數(shù)學(xué)方法，深入分析系統(tǒng)的相變情況。

實(shí)驗(yàn)有了許多重要發(fā)現(xiàn)。在二階耗散相變中，研究人員觀察到了“壓縮”現(xiàn)象，這時量子漲落比真空的自然背景噪聲還低，意味著系統(tǒng)進(jìn)入了高靈敏的轉(zhuǎn)變狀態(tài)。在一階耗散相變中，系統(tǒng)出現(xiàn)了明顯的磁滯回線，根據(jù)參數(shù)調(diào)整方式不同，系統(tǒng)能在兩種狀態(tài)下存在，還出現(xiàn)了亞穩(wěn)狀態(tài)，也就是系統(tǒng)會暫時停留在一種穩(wěn)定狀態(tài)，之后才突然轉(zhuǎn)變到另一種狀態(tài)。此外，在兩種相變中都觀測到了“臨界慢化”現(xiàn)象，這證實(shí)了相關(guān)理論預(yù)測的正確性。

這項(xiàng)研究成果為量子技術(shù)發(fā)展開辟了新道路。通過深入理解耗散相變，科學(xué)家未來有望打造出更穩(wěn)定、響應(yīng)更靈敏的量子系統(tǒng)，這將給量子計(jì)算、量子傳感器等領(lǐng)域帶來革命性變化。而且，此次研究充分體現(xiàn)了跨學(xué)科合作的強(qiáng)大力量，融合了實(shí)驗(yàn)物理、先進(jìn)理論模型和前沿工程技術(shù)，助力科學(xué)家探索科學(xué)新邊界。

該研究成果已發(fā)表于《自然通訊》雜志，論文第一作者紀(jì)堯姆·博利厄表示，理論與實(shí)驗(yàn)的緊密合作產(chǎn)生的成果遠(yuǎn)超單個團(tuán)隊(duì)獨(dú)立研究的成效。

參考資料：DOI： 10.1038/s41467-025-56830-w