量子相變是物理學中熱點研究問題之一，在相變點，物理體系會呈現出豐富的物理性質。量子多臨界行為是量子相變中基本且核心的概念。在量子多臨界點處，多個原本性質不同的相變得不可區分，同時會出現截然不同的臨界行為。通過對它的研究，人們發現了許多獨特的臨界現象與新奇的量子普适類和标度以及臨界指數。這些研究在相當程度上推進了人們對量子相變的認識。

雖然多臨界行為具有相當的獨特性與重要性，但是在它的實驗實現和觀測上人們遇到了巨大的困難。為了實現或觀察它需要在實驗上對多個參數進行精細調整。同時，在量子多臨界現象中，普适行為與普适類起着核心的作用，系統的普适行為旨在系統尺寸足夠大，接近熱力學極限的時候才能出現，這導緻了實驗上的研究面臨着更大的困難。具體來說，為了觀測到多臨界現象的普适行為，系統需要被增大到足夠的尺寸，并且同時保持良好的可操控性以及噪音環境下的可靠性，而這在實驗上是非常困難甚至不可行的。由于這些困難，對于多臨界行為的核心——普适類及相關的臨界行為，目前實驗上仍然無法觀測。

通過研究，發現在小尺寸的系統中，如果熱力學極限能以另外的方式達到，那麼系統同樣有可能發生量子相變，那是否存在多臨界現象呢？是非常值得研究的一個問題。最近，beat365英国官网网站量子光學與量子精密測量研究組與中國科學院物理研究所凝聚态理論組合作，考慮了若幹量子比特集體耦合到一個單模玻色場模型，且創造性地在量子比特之間加入了交錯的偏置相互作用(圖1)，成功從理論上預言了量子多臨界現象(圖2)。而且詳細研究了如何在噪音環境下探測多臨界點處的普适行為(圖3)。表明其多臨界點可以通過一系列的多臨界普适類描述。進一步的，一個能夠實現有限尺寸多臨界現象的基于離子阱體系的實驗方案被提出。在考慮環境噪音的情況下，研究結果展現了揭示多臨界點處的普适類的可能。為研究多臨界行為提供了新的線索。該工作以“Finite-Component Multicriticality at the Superradiant Quantum Phase Transition”為題于2020年7月28日發表在PHYSICAL REVIEW LETTERS 125, 050402 (2020)上，文章的第一作者是beat365英国官网网站beat365英国官网网站博士生朱漢傑，張國鋒教授是通訊作者。

圖1：能夠出現有限組分多臨界現象的量子比特-光場系統

圖2：系統的相圖（a、c）與相應的序參量（b、d）

圖3：噪音環境下對多臨界普适行為的觀測（數值模拟結果）

文章鍊接：https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.125.050402