超导量子比特阵列量子模拟Dicke超辐射相变

Solid-state superconducting quantum circuits have been regarded as one of the most promising candidates for simulating many-body physical models and exploring quantum phase transitions. In this project, we propose an accessible scheme to simulate three-level Dicke models and study superradiant phase transitions in the three-level superconducting quantum qubit arrays. Engineering a driven superconducting three-level Dicke model to circumvent no-go theorem, we discuss physical effects resulting from coexistence and correlation of normal phase, first- and second-order superradiant phases. Moreover, we investigate possible new properties of superradiant phase transitions in a novel Δ-type Dicke model and show ladder- and Λ-type branches how to impact on superradiant phases under the specific circuit parameters. Our study not only helps to deepen our understanding of superradiant phase transitions, but also may boost the development of quantum simulation in circuit quantum electrodynamics architectures.

固态超导量子电路体系是目前最有潜力实现若干多体物理模型的量子模拟和探索量子相变的物理平台之一。本项目以三能级超导量子比特阵列为研究对象，从理论上量子模拟三能级Dicke模型，重点研究有趣的超辐射相变现象：构建驱动的超导三能级Dicke模型来回避no-go定理，探索正常相、一阶超辐射相和二阶超辐射相之间的共存和关联效应；设计独特的超导Δ-型Dicke模型，探索超辐射相变潜在的新奇特征，揭示该模型的ladder-型和Λ-型分支在具体参数下对超辐射相的竞争和支配行为。本项目的研究不仅有助于深化我们对超辐射相变本身的认识，而且有望进一步推动电路量子电动力学体系的量子模拟的发展。

Dicke模型描述了N个无相互作用的量子系统和一个单模玻色场之间的集体相互作用，是当前量子光学和量子相变领域的研究前沿之一。本项目在光与物质相互作用的全量子理论框架下，利用标准的平均场方法和量子测量理论，研究了Dicke超辐射相变及相关现象，主要内容包括三个方面：(1)在三能级V-型Dicke模型中，我们呈现了生动丰富的超辐射相图，展示了一个有趣的四相点，探索了多个不同的超辐射相之间的共存与竞争，论证了三个超辐射相之间的连续一阶相变。特别地，两个二阶超辐射相的平衡竞争导致了一个新奇的四重简并的超辐射相的出现。(2)在超辐射环境下，利用Dicke哈密顿量对角化所得到的低频极化子的量子临界性质，我们成功地将单光子耦合强度提高了三个数量级，进而展示了较强的克尔非线性效应，为制备非经典量子态提供了良好条件。(3)为研究量子噪声对量子系统的影响，我们探索了N=1时的量子测量动力学，论证了噪声与腔场之间的竞争性芝诺物理。在缀饰态表象下，量子系统衰变过程的芝诺时间可以得到五个数量级的提升，这突破了通常的短时测量限制。