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为探究有限温度下难以观测的零温自发对称破缺（SSB）现象，研究人员利用数字化绝热演化，在三代凯莱树状超导晶格中模拟反铁磁（AFM）和铁磁（FM）相形成。结果显示可观测到 SSB 诱导的相变特征及纠缠量子相。该研究推动了凝聚态物理和数字化量子退火发展。
在微观的量子世界里，物理系统的对称性与对称破缺现象一直是科研人员关注的焦点。对称性，如同微观世界的秩序守护者，与自然守恒定律紧密相连，是许多科学技术进步的基础。而对称破缺则像是打破平静湖面的石子，在凝聚态物理、标准模型以及自旋电子学等领域引发了一系列重要变革。
在有限温度的低维系统中，自发对称破缺（SSB）对于量子相变现象意义非凡，它就像一把钥匙，有可能开启真正长程有序的大门，让科学家们窥探到微观世界更深处的奥秘。近年来，一维囚禁离子链和二维里德堡原子阵列的实验成功观测到了连续对称破缺和长程有序的形成。然而，零温系统中的 SSB 现象却像一座神秘的冰山，隐藏在未知的迷雾中。虽然 Mermin-Wagner 定理并不适用于零温系统，但人们普遍认为一维系统在零温下也禁止 SSB，这使得该领域的研究远远少于有限温度下的研究。
为了揭开零温 SSB 的神秘面纱，来自深圳的南方科技大学等多个研究机构的研究人员踏上了探索之旅。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为该领域带来了新的曙光。
研究人员开展的研究围绕数字化绝热演化展开。他们利用超导集成电路这一强大的平台，通过量子退火或数字化绝热演化（DAE）来模拟零温下的量子过程。DAE 方法巧妙地结合了绝热量子计算和量子电路计算两种模型的优势，旨在创建一种高效的计算模型。
研究人员的主要技术方法包括：首先，运用 Suzuki–Trotter 绝热数字化方法，将连续的绝热演化进行离散化处理，转化为量子电路可模拟的形式；其次，构建了三代凯莱树状超导二维晶格的物理系统，该系统包含七个量子比特，通过特定的哈密顿量驱动系统演化；最后，采用随机测量的方式来评估二阶雷尼熵（Rényi entropy），以此来见证系统中纠缠的形成。
下面让我们详细看看研究结果：
- 数字量子退火：研究人员通过定义随时间变化的哈密顿量H^(t)=f(t)H^inl+g(t)H^fin，来描述数字化绝热演化过程。通过 Riemann - 类离散化，将演化过程划分为多个数字块，每个数字块的演化由演化算子U^d(sn+1;sn)控制。他们发现可以通过寻找合适的函数f(s)和g(s)来最大化最小绝热间隙，从而优化 DAE 的性能。并且，研究还指出当H^fin能在真实量子处理器中有效实现时，数字算法的复杂度（即所需的块数 M）不一定会随系统规模增大而增加。
- 三代凯莱树状器件：实验采用的物理系统是由七个量子比特构成的三代凯莱树状超导二维晶格。这些量子比特和耦合器位于芯片顶层，而 Purcell 滤波器、控制线和读出谐振器则位于底层，这种结构有效减少了系统误差。实验中，量子处理器并非零温系统（温度约为 10 mK），但研究人员通过数字电路模拟了系统在零温环境下的幺正演化。系统从经典的奈尔（Néel）态出发，在 SSB 诱导下发生转变。研究人员通过测量系统能量和成对连接相关性这两个互补量，来观察 SSB 转变的特征。
- 相变特征和纠缠量子相的形成：研究人员测量了两点相关函数Cx(i,j)=<σ^ixσ^jx>?<σ^ix><σ^jx>，发现尽管在有限温度下短程相互作用系统中，铁磁性和反铁磁性的形成是被禁止的，但通过零温演化，利用最近邻相互作用自旋晶格的绝热驱动动力学，能够实现这些相。并且，他们还观测到了从无关联的经典 AFM 态到相关的量子 FM - 类相态的相变特征。此外，通过分析二阶雷尼熵，研究人员发现系统中存在量子关联和纠缠，这进一步证明了所观测到的 FM - 类和 AFM - 类相态具有量子特性。
在研究结论和讨论部分，研究人员指出虽然基本定理禁止有限温度下系统从经典 AFM Néel 态到量子 FM - 类态的相变，但通过零温绝热演化，这种现象是可能发生的。他们所提出的框架具有广泛的适用性，有望在其他几何结构和晶格中观察到 SSB 现象。对于量子模拟和计算领域而言，高保真度 DAE 的充分条件为实现数字绝热启发算法的高保真度提供了有力支持。作为量子近似优化算法（QAOA）的替代方案，DAE 无需混合优化模型所需的经典优化，为在不能用作量子退火器的量子处理器上执行优化任务开辟了新途径。然而，数字化退火的可扩展性面临着由于门保真度有限而导致的累积误差问题，但通过采用有效的误差缓解技术，有望将数字化量子退火应用扩展到更大的量子处理器上。
总的来说，这项研究为凝聚态物理和数字化量子退火领域带来了新的思路和方法，在零温 SSB 的研究上迈出了重要一步，为未来量子技术的发展奠定了坚实的基础，让我们对微观量子世界的认识又向前迈进了一大步。
