量子融雪態：一種新奇的分形量子態

[本刊訊] 上海交通大學物理與天文學院蔡子課題組基于里德堡原子陣列系統，提出了一種新的量子多體態：量子融雪態。相關工作于2024年5月17日發表在《物理學評論》（Physical Review Letters）上。

凝聚態物理的研究目標是揭示物質的相與相變。以超冷原子、超導量子線路為代表的一批新型人造量子系統的出現，量子物態的探索有了新的機遇。其中，里德堡原子陣列系統由于其高度的實驗可調節性，在量子模擬和量子計算領域受到廣泛關注，成為量子物理研究的重要前沿。一般來說，兩個里德堡原子可通過里德堡阻塞機制相互作用，即當一個原子處于里德堡激發態時，其周圍的原子均不能被激發。除了里德堡阻塞機制以外，通過改變激光驅動頻率，里德堡原子之間也可能發生反阻塞現象：當且僅當一個原子周圍有一個里德堡原子時，它可以被激發到里德堡態。這時，一個里德堡原子不僅不會阻礙周圍原子的激發，反而會幫助其中的一個原子激發到里德堡態。該過程被稱為動力學約束。

為探索動力學約束和量子漲落的交互作用下演生出的奇異量子多體態，該課題組利用隨機級數展開量子蒙特卡洛方法，研究了一個正方格子上具有上述里德堡反阻塞動力學約束的最簡化量子多體模型，發現這一簡單模型可能展現出非平庸的基態。這一量子態的典型構型中自發涌現出樹狀分形結構（其維度約為1.8），且其關聯函數呈冪指數衰減，意味著該二維系統基態具有準長程序。更為重要的是，在這一量子態中，系統的格點根據其動力行為的不同自發分成兩類，位于“量子樹”末端的格點感受到強烈的量子漲落，其自關聯函數迅速衰減（液體），而對于位于“量子數”樹干上的格點，量子漲落幾乎被凍結，展現出玻璃動力學行為（固體），這一量子態類似經典系統中的碎冰和水的混合物，因此被命名為量子融雪態。其展現的奇異性質不同于目前已知的絕大部分量子態（例如量子磁性態、量子自旋液體或自旋玻璃態），該發現揭示了里德堡原子陣列這一量子平臺在探索新型量子物態方面巨大的潛力。

（勇 蘭）