超导量子电路中双光子驱动克尔谐振器的耗散相变观测：揭示一阶与二阶临界现象

编辑推荐：本研究通过实验观测双光子驱动超导克尔谐振器中一阶与二阶耗散相变（DPTs），解决了开放量子系统临界动力学表征难题。团队利用Liouvillian谱理论揭示稳态压缩真空态与相位共存现象，发现跨越5个数量级的临界减速效应，为量子信息处理中临界增强技术提供新范式。

　　在量子开放系统中，耗散相变（DPTs）作为非平衡态下的临界现象，近年来成为连接量子光学、凝聚态物理与量子信息科学的重要桥梁。传统研究多聚焦于二阶DPTs的理论探讨，而一阶DPTs的实验观测则局限于单光子驱动体系，缺乏对两类相变的系统性比较研究。更关键的是，现有技术难以在单一平台上实现对称性保护的临界行为表征，这极大限制了耗散相变在量子计算和精密测量中的应用潜力。

针对这一科学瓶颈，由瑞士洛桑联邦理工学院Pasquale Scarlino团队联合意大利、芬兰等多国研究人员，在《Nature Communications》发表了突破性研究成果。研究团队创新性地采用双光子驱动超导克尔谐振器系统，通过参数重标定逼近热力学极限，首次在同一实验平台上实现了对一阶和二阶DPTs的完整表征。该工作不仅观测到压缩低于真空的量子态和相位共存现象，更通过时间分辨测量揭示了跨越五个数量级的临界减速效应，为理解有限组分系统的非平衡相变提供了教科书级的实验范本。

关键技术方法包括：1）基于SQUID的超导谐振器制备实现可调谐双光子驱动；2）时间分辨外差探测技术获取量子轨迹；3）Liouvillian谱理论分析临界动力学；4）自相关函数提取SSB（自发对称性破缺）速率；5）参数空间模拟退火算法确定系统参数。

稳态特性与相图分析：通过重标定驱动强度G和失谐Δ，研究显示当缩放参数L增加时，光子数n_ss在负失谐区呈现连续但不可导变化（二阶DPTs特征），而在正失谐区出现跳跃式转变（一阶DPTs特征）。Husimi函数显示二阶临界点处真空态分裂为两个相位相反的相干态，同时观测到-3dB的压缩真空态。

二阶相变的动力学特性：通过量子轨迹分析发现自发对称性破缺（SSB）现象，系统在ρ_SSB^±≈|±α??±α|态间跳跃。创新性采用稳态自相关函数C_ss(t)≈exp(-λ_SSBt)提取SSB速率，证实λ_SSB随L呈指数衰减，验证了热力学极限下的真对称性破缺。

一阶相变的临界动力学：通过n(t)≈n_ss+δne^-λ_1stt拟合获得亚稳态寿命。在Δ≈Δ_c区域观察到真空态与亮态的双稳态共存，滞后回线面积A(T)∝T^-γ的幂律关系证实了一阶相变的特征。

讨论与意义：该研究建立了Liouvillian理论框架与实验观测的直接对应，揭示DPTs的量子特性在弱非线性（U?κ）体系中仍可能主导临界行为。特别值得注意的是，λ_SSB的指数抑制特性为基于猫态的容错量子计算提供了新思路——通过调控失谐可显著降低比特翻转错误率。此外，临界点处增强的量子涨落为开发耗散型量子传感器开辟了新途径。这项工作标志着超导电路在量子临界现象研究中的应用达到新高度，未来可通过强非线性区间的实验进一步探索量子耗散相变的本质特征。