Exploring Quantum Phase Transitions Beyond Landau Theory on a Quantum Processor
本研究利用超导量子处理器，研究了受挫自旋链中一个朗道禁戒的铁磁到价键固体转变，成功解析了挑战传统朗道-金兹堡-威尔逊范式的临界关联与非平衡动力学。
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在物质的世界中，科学家长期以来一直依赖一套规则来理解材料是如何改变其性质的。想象一下，一群人突然决定全都面向同一个方向；这种从无序到有序的转变被称为相变。几十年来，解释这些转变的标准方式——被称为朗道理论（Landau theory）的方法——表明，当一种材料发生变化时，它是通过逐渐失去一种特定类型的有序性并同时获得另一种有序性来进行的。如果两种有序类型是完全无关的——比如人群决定面向北方，还是人群决定两两结对——该理论预测它们无法直接相互转换。相反，这种变化会是混乱、突发的，或者需要一个两者共存的混乱中间步骤。然而，一种更新颖、更奇异的思想——称为去限制量子临界性（deconfined quantum criticality）——提出了自然界可能更加灵活。它提出，在合适的条件下，两种无关的有序状态可以在同一时刻消失并出现，穿过一个奇特的流体状态，在那里旧理论的规则不再适用。这一概念一直是激烈争论的主题，主要在复杂的计算机模拟中进行研究，但在现实世界中证明这一点仍然是一个重大挑战。
研究团队现在采取了重大步骤，通过使用量子计算机实时观察这一“被禁止”的转变过程。他们专注于一条特定的、一维的磁性粒子链，即自旋链，这些自旋可以被看作是能够向上或向下指向的微型磁铁。在他们的实验设置中，他们创造了一场两种竞争力量之间的拉锯战。一种力量希望所有的自旋都排列在同一个方向，从而产生一种均匀的磁性状态。另一种力量则希望自旋与它们的邻居形成交替的强弱键合，这是一种被称为价键固体（valence-bond solid）的状态。根据旧有的规则，这两种状态不应该能够直接相互转换，而会经历一场混乱的干扰。然而，通过仔细调节这两股竞争力量的强度，研究人员观察到系统平滑地从均匀状态移动到了配对状态。
为了在量子处理器上实现这一点，团队面临着一个困难的障碍：创造这种复杂的、纠缠的磁性链状态需要一种目前的机器难以维持的精确度。他们通过使用一种结合了超级计算机力量与量子硬件的巧妙技巧解决了这个问题。首先，他们使用一台强大的经典计算机来计算出磁性链状态的确切形状。然后，他们将这种复杂的数学描述转化为一组简化的指令，供量子处理器遵循。这使得他们能够在不需要极其漫长且易出错的操作序列的情况下，将系统准备成正确的状态。一旦状态准备就绪，他们便测量了随着增加系统中的挫折感（frustration），自旋是如何表现的。
结果非常明确，并且符合奇异理论的预测。随着他们加大竞争力量，代表均匀状态的长程自旋排列迅速消失。与此同时，代表配对状态的交替键合模式出现了。至关重要的是，研究人员观察了就在切换瞬间的涨落——即自旋的微小、随机抖动。他们发现，两种竞争有序性的抖动并非独立运作。相反，它们似乎融合在一起，表现得就像是同一枚硬币的两面。这种行为是去限制临界性理论的一个标志，表明系统通过了一个独特的临界点，在那里两种无关的有序状态紧密地联系在一起。
该团队并未止步于静态图像；他们还观察了系统如何随时间演化。他们让链条处于完美的配对状态，然后施加一种有节奏的驱动力来打破平衡。随着这一过程的进行，他们观察到配对键合减弱，而磁性涨落增强。这种动态变化证实了这两种有序状态确实在相互竞争，并且可以相互转化。通过测试多达96个量子比特的链条，他们展示了即使在当今带有噪声的机器上，只要使用正确的准备方法，这些奇异物理学的微妙特征也是可以获取的。
这项工作并不声称已经解决了围绕这些转变的所有谜团，也没有证明该理论在所有情况下都是完美的。测量是在有限尺寸的链条上进行的，所使用的量子计算机仍受限于噪声和局限性。然而，这项研究成功地证明了两种无关磁性有序状态之间的直接、连续转换是可能且可观测的。它提供了一个通用的新框架来探测这些现象，表明量子处理器现在可以作为研究物质最复杂且最反直觉行为的强大显微镜。研究结果表明，关于相变的旧规则并非故事的全貌，自然界允许一种比此前认为的更加流动、更加互联的方式来改变状态。
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