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2020-02-14
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我们的工作“Experimentally testing quantum critical dynamics beyond the Kibble-Zurek mechanism”发表于 Nature 旗下的 Communications Physics。在此前 Kibble–Zurek 实验的基础上，我们进一步超越标准机制，研究量子相变中形成的拓扑缺陷的完整概率分布。
从平均值到完整计数统计
Kibble–Zurek 机制（KZM）描述跨越相变时的普适动力学，预言拓扑缺陷的平均数量随淬火速率遵循普适幂律。然而，KZM 关注的是缺陷数量的平均值。本工作检验了更丰富的预言：畴壁对的数量服从泊松二项分布，其各个低阶累积量均遵循普适幂律标度。
动量空间中的量子模拟
我们利用单个囚禁 171Yb+ 离子作为动量空间量子模拟器，研究一维量子 Ising 链在跨越顺磁—铁磁量子相变过程中产生的畴壁对分布。量子 Ising 模型的每个模式均可映射到一次 Landau–Zener 能级穿越，其动力学由离子量子比特模拟。通过测量各个模式的激发概率，我们重建了拓扑缺陷的完整计数统计。
主要结果
我们在实验中验证了低阶累积量的普适标度，并观察、分析了离子噪声引起的退相干所导致的偏离。结果表明，临界动力学的普适性超越了 KZM 对平均缺陷数量的描述，扩展到拓扑缺陷的完整概率分布，为量子相变中的普适性提供了更严格的实验检验。
图 1. 实验装置。（a）针状离子阱中囚禁的单个 171Yb+ 离子。（b）量子比特的能级。（c）量子比特由微波场驱动，操作通过任意波形发生器（AWG）编程控制。
本工作与西班牙 Donostia 国际物理中心的 Fernando Javier Gómez-Ruiz 和 Adolfo del Campo 合作完成。