近日，科学界迎来一项重大突破！物理学家成功观测到了量子系统中的“耗散相变”（DPTs），这一发现比人们预想的还要令人惊叹。
在日常生活中，像水结冰这样的相变现象很常见。但在神秘的量子世界里，相变却大不相同。量子系统的相变遵循海森堡不确定性原理等特殊规则，而且外界影响会让量子系统向周围环境散失能量，也就是“耗散”。当耗散发生时，量子系统就可能进入一种全新的状态，这就是“耗散相变”。
耗散相变分为不同类型，其中一阶耗散相变就像突然拨动开关，系统会瞬间从一种状态跳到另一种状态；二阶耗散相变则相对温和一些，但同样会对系统的基本属性，比如对称性，产生微妙却关键的改变。
理解耗散相变对研究量子系统意义重大。在那些经典热力学无法解释的非热平衡量子系统中，耗散相变起着关键作用。从实际应用角度看，二阶耗散相变有助于提升量子信息存储能力，一阶耗散相变则能帮助我们更好地了解系统稳定性和控制方法，这些对量子计算和传感技术的发展至关重要。
多年来，物理学家虽在理论上预测了耗散相变的一些特性，像双稳态（两种状态共存）和临界慢化（在相变点附近响应延迟），但想要直接观察到这些现象，尤其是二阶耗散相变的相关现象，一直困难重重。
不过，现在情况有了转机。瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的帕斯夸莱·斯卡利诺教授带领团队，利用超导克尔谐振器完成了一项突破性实验。他们通过向系统注入成对的光子，也就是双光子驱动技术，精确控制并监测量子系统的状态，成功观察到了系统的相变过程。在实验中，研究人员不断调整失谐量和驱动幅度等参数，研究系统在不同量子状态间的转换，最终成功观测到了一阶和二阶耗散相变。
为了保证实验准确，整个过程是在接近绝对零度的极低温度下进行的，这样能最大程度减少背景噪声。克尔谐振器发挥了关键作用，它能放大那些难以观测的量子效应，让研究人员可以以前所未有的精度研究相变。研究团队还借助超灵敏探测器监测谐振器发出的光子，并运用先进数学方法，深入分析系统的相变情况。
实验有了许多重要发现。在二阶耗散相变中，研究人员观察到了“压缩”现象，这时量子涨落比真空的自然背景噪声还低，意味着系统进入了高灵敏的转变状态。在一阶耗散相变中，系统出现了明显的磁滞回线，根据参数调整方式不同，系统能在两种状态下存在，还出现了亚稳状态，也就是系统会暂时停留在一种稳定状态，之后才突然转变到另一种状态。此外，在两种相变中都观测到了“临界慢化”现象，这证实了相关理论预测的正确性。
这项研究成果为量子技术发展开辟了新道路。通过深入理解耗散相变，科学家未来有望打造出更稳定、响应更灵敏的量子系统，这将给量子计算、量子传感器等领域带来革命性变化。而且，此次研究充分体现了跨学科合作的强大力量，融合了实验物理、先进理论模型和前沿工程技术，助力科学家探索科学新边界。
该研究成果已发表于《自然通讯》杂志，论文第一作者纪尧姆·博利厄表示，理论与实验的紧密合作产生的成果远超单个团队独立研究的成效。
参考资料：DOI： 10.1038/s41467-025-56830-w
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