科研成果

相消量子干涉抑制双占据态输运并诱导预热化

发布日期:2026-09-28 【字号:大 中 小】
近日,C2极低温超导量子器件调控实验站科研人员在强关联量子动力学理论研究方面取得重要进展。研究团队针对强相互作用玻色-哈伯模型中双占据态的残余运动问题,提出了一种无需引入无序的输运抑制机制:通过调控最近邻成对跃迁,使其与双占据态的虚解离—复合过程发生相消量子干涉,从而显著降低双占据态的迁移能力。相关成果以“Interference-induced suppression of doublon transport and prethermalization in the extended Bose-Hubbard model”为题发表于《Physical Review B》113, 214306(2026)。

玻色-哈伯模型是研究强关联玻色体系的基本模型。强相互作用下,两个粒子可占据同一格点并形成稳定的复合激发——双占据态。虽然强相互作用能够抑制单粒子跃迁,但双占据态仍可通过二阶虚过程从一个格点传播到相邻格点,进而造成波包扩散、量子关联衰减并最终推动体系热化。利用无序实现局域化会破坏平移对称性,因此,如何在洁净体系中抑制这一内禀输运通道,是双占据态存储与操控面临的关键问题。

研究团队在扩展玻色-哈伯模型中引入可调的最近邻成对跃迁通道,使其与原有的虚跃迁通道相互抵消。进一步通过三阶Schrieffer-Wolff变换,研究人员发现,最优抵消条件不仅取决于相互作用和跃迁强度,还会受到晶格配位数的修正。该结果说明,简单按照二阶过程设置控制参数只能部分减缓输运;纳入晶格几何相关的高阶修正,才能更加精确地压低主导传播通道。

图1 双占据态输运及其抑制机制。显式成对跃迁通道与虚解离—复合产生的有效跃迁通道发生相消干涉。

精确数值模拟表明,在一维链中,优化后的干涉条件能够使双占据态波包在很长的时间窗口内近乎停止扩散,同时显著延长局域量子纠缠的保持时间。在二维方格晶格中,由于更高的连接度打开了更多高阶传播路径,体系仍存在缓慢的残余扩散,但抑制效果依然明显:在论文考察的代表性时刻,波包均方根位移由未调控时的约6.62降低至约2.60。这表明该机制可以跨越不同晶格维度有效压制主导的弹道输运,但并不意味着所有高阶动力学都被完全冻结。 

图2 一维链中双占据态的传播。与无调控和二阶近似抵消相比,包含三阶修正的最优条件实现了最强的动力学抑制。

在多体情形下,研究团队以双占据格点和空格点交替排列形成的密度波作为初态,进一步考察了多个双占据态共存时的输运抑制效果。未调控时,密度波序随双占据态扩散迅速消失;在优化条件下,密度不平衡度长期保持在约0.7的平台附近,并仅表现出极缓慢的衰减。结合最大41个格点的有限尺寸标度分析,研究确认该长寿命平台并非小系统造成的数值假象。由于体系仍会通过更高阶过程缓慢趋向热平衡,研究将这一现象识别为预热化,而非严格的多体局域化或希尔伯特空间碎片化。

图3 多体密度波动力学。最优干涉条件显著延缓密度波序的衰减,并形成长寿命预热化平台。

该研究表明,较弱但可精确调控的成对跃迁可以在不引入无序的条件下,大幅削弱强关联体系中占主导地位的双占据态输运,为利用量子干涉调控复合激发传播和延长量子态保持时间提供了新思路。论文还讨论了在超导量子电路中的潜在实现路径:通过Floquet工程对Transmon三能级系统进行周期驱动,有望合成幅度可调的成对跃迁。不过,这一方案目前仍属于理论设想,实际实现还需要解决强驱动下的串扰、加热、退相干和参数校准等问题。中国科学院物理研究所、综合极端条件实验装置(SECUF)C2实验站在读研究生包振廷为论文第一作者,许凯研究员和范桁研究员为共同通讯作者。该工作得到SECUF、国家自然科学基金、量子科学与技术创新项目、北京新星计划和科技部项目等支持。