量子漲落是量子系統的基本屬性之一，在量子相變、量子場論、統計物理中扮演者重要角色。維克定理告訴我們，對于高斯漲落模型的量子系統，二階關聯函數即可完整描述其動力學行為。然而，真實物理系統通常表現出非高斯性質，其完備表征需要對更高階的量子關聯函數進行直接測量。

雖然高階量子漲落在理論模型和數值計算中被廣泛研究，其實驗測量卻頗為挑戰。近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心Q04組博士生夏釩在劉剛欽研究員和潘新宇研究員指導下，與北京師范大學珠海校區王評副研究員團隊緊密合作，以金剛石氮空位(nitrogen-vacancy, NV)中心為量子探針，在其近鄰多個核自旋構成的量子系統中實現了四階關聯信號的直接測量，并觀測到該系統的“高斯-非高斯”轉變行為。

圖1：通過時序關聯函數揭示量子自旋系統非高斯漲落

該研究的理論方案源于近期發展的量子非線性噪聲譜學技術【Phys. Rev. Lett. 123, 050603 (2019)；Phys. Rev. Lett. 132, 200802 (2024)】。為實現實際物理系統高階關聯函數的直接測量，研究人員先將量子探針（NV中心自旋）制備到疊加態，隨后控制量子探針與待測系統（核自旋環境）的相互作用時間，結合量子探針的選擇性量子操作和動力學解耦，成功構筑了提取特定四階關聯的量子通道。基于該類型四階關聯信號的二維譜特征，可定量評估量子系統“非高斯性”強弱。在實驗中，研究團隊展示了核自旋數目從單個（強非高斯性）過渡到多個（弱高斯性）所對應的四階關聯函數譜結構特征變化，觀測到該系統“高斯-非高斯”轉變，如圖所示。進一步地，實驗還揭示了頻譜分辨率對非高斯性的影響。

基于這些結果，研究團隊提出“非高斯性”作為一種量子資源，其二維譜的“指紋”信號可用于實現單核自旋結構的特異性診斷，這對于納米尺度核磁共振技術的發展有借鑒意義。此外，高階關聯函數的非高斯性質與介觀系統非平衡動力學行為、量子臨界現象等密切相關，該研究發展的高階關聯探測方案為量子材料和量子物態微觀表征提供了新思路。

該工作以“Gaussian-to-non-Gaussian transition of a quantum spin bath revealed by fourth-order correlation”為題發表在【Phys. Rev. Lett. 134, 253601 (2025)】。該工作理論方案由北京師范大學珠海校區王評副研究員提出，實驗測量在中國科學院物理研究所完成。劉剛欽研究員和王評副研究員為該論文的通訊作者，夏釩(已畢業)為該論文第一作者。該研究受到了科技創新2030項目、國家自然科學基金、科技部重點研發計劃、北京市自然科學基金、廣東省量子科學戰略專項資助、中國科學院先導B等項目基金支持。

編輯：紫竹小筑