《PRL》重磅：多模腔QED實現伊辛自旋玻璃態

自旋玻璃的概念——一種以淬火無序和競爭性（受挫）相互作用為特征的磁性系統——深刻地影響了我們對復雜系統的理解，其應用范圍從凝聚態物理到理論神經科學和優化問題。幾十年來，諸如 Sherrington-Kirkpatrick (SK) 模型之類的理論平均場模型預測了副本對稱性破缺 (Replica Symmetry Breaking, RSB) 等異乎尋常的現象，這些現象挑戰了傳統的、基于熱力學平衡的描述。

然而，在實驗上實現和精確微觀研究這些復雜狀態，尤其是在量子體系中，仍然是一個巨大的挑戰。隨著多模腔量子電動力學 (Multimode Cavity QED) 作為一個量子模擬平臺的興起，為這一研究開辟了新的前沿，并最終促成了多模腔 QED 易辛自旋玻璃的實驗實現。這一成就為在驅動耗散的量子環境中，以前所未有的控制和微觀訪問能力，研究玻璃態的標志性特征提供了可能。

自旋玻璃的范式及其理論基礎

自旋玻璃與簡單的鐵磁體或反鐵磁體的區別在于兩個關鍵特征：無序和受挫。無序指的是磁性原子位置的隨機性，或更根本地，原子間相互作用符號的隨機性。受挫則源于這些隨機相互作用的競爭性質，使得系統無法同時滿足所有的相互作用要求。其結果是一個崎嶇不平、非凸的能量景觀，其中存在指數級的亞穩態、低能量狀態。

無限程 SK 模型是這種狀態的規范平均場描述，喬治·帕里西 (Giorgio Parisi) 對其的求解引入了具有開創性的副本對稱性破缺 (RSB) 概念。RSB 認為自旋玻璃的平衡態并非單一相，而是一個復雜的、由不同非遍歷態構成的等級結構。這種層次結構通過帕里西函數q(x)和這些低能態空間的超度量結構在數學上得以描述。在傳統的固態材料中，由于其微觀復雜性和實現平衡態的挑戰，直接探測 RSB 是非常困難的。

多模腔 QED 作為量子模擬器

多模腔 QED 提供了一個理想的、高度可控的平臺，用于實現和研究受挫的、全連接的自旋相互作用系統。

1. 工程化的全連接相互作用

該系統由放置在支持多個近簡并模式的高精細度光學腔內的超冷原子構成。原子（通常編碼在內部原子態中）充當了有效的易辛自旋。其核心機制是光子介導的相互作用：

• 激光驅動原子，使它們虛擬地散射光子進入腔模式。
• 這些腔內光子在整個系統中傳播，并被其他原子重新吸收。
• 這一過程在所有原子對之間產生了有效的自旋-自旋相互作用 (Ji,j) ，這種全連接特性自然地模擬了平均場 SK 模型。

2. 產生無序和受挫

至關重要的是，許多相互作用的腔模式的空間分布是復雜的。通過使用光鑷將原子團簇（有效自旋）捕獲在腔內的隨機空間位置上，任意一對自旋 i 和 j 之間的有效耦合強度 Ji,j 就變成了隨機符號和空間相關的。這為系統哈密頓量引入了無序和受挫的要素，從而實現了一種可配置的人工自旋玻璃。

3. 驅動耗散環境

與經典 SK 模型的純熱平衡不同，腔 QED 系統在驅動耗散體制下運行。系統被外部激光持續驅動，并通過光子從腔鏡中泄漏（損耗，κ）而耗散能量。這引入了額外的復雜性，使得這種實現成為非平衡量子統計力學領域的研究。

實驗里程碑和關鍵觀測結果

最近的實驗利用了新型的多模幾何結構，例如“4/7”諧振腔，達到了更高的復雜程度，將網絡規模增加到n=25個自旋。這些實驗確立了幾個重要的里程碑：

1.觀測到副本對稱性破缺 (RSB)：通過驅動系統穿過一個受挫的橫場易辛相變，并測量不同實驗運行（作為副本）之間的重疊，研究人員直接測量了關鍵的自旋玻璃序參數：

• 愛德華茲-安德森重疊 (qEA)，用于量化平均凍結程度。
• 帕里西函數 q(x)，這是 RSB 的明確標志。測得的 q(x) 函數與理論上完全 RSB 系統的預測相符，證實了非平衡穩態的層次結構。

2.超度量結構：實驗驗證了相空間的超度量結構，這是 RSB 的一個結果，意味著非遍歷態的層次聚類，類似于重疊的“樹狀”結構。

3.熵與動力學：該系統允許研究動態特性，例如證明最終自旋玻璃態的熵取決于系統穿越相變時的速率，這一現象與玻璃化轉變的非平衡性質有關。

4.自旋玻璃作為聯想記憶：全連接自旋玻璃的物理學在數學上等同于霍普菲爾德神經網絡，一種聯想記憶模型。驅動耗散的腔 QED 系統成功展示了其作為高容量聯想記憶的功能，并且由于系統的量子和非平衡動力學特性，其容量甚至超過了經典的霍普菲爾德極限。

更廣泛的意義和未來展望

多模腔 QED 易辛自旋玻璃是量子模擬發揮作用的典范。

1. 連接理論與實驗：它為物理學中最復雜且長期爭論的理論之一——帕里西的 RSB——提供了一個清晰、微觀的測試平臺，但置于一個全新的、非平衡的環境中。它推動了將 RSB 等平衡概念擴展到開放量子系統領域的研究。
2. 探索非平衡動力學：能夠調節驅動和耗散速率，為在微觀層面上研究老化和復興等動態玻璃態現象打開了大門，這些現象在固態系統中是出了名的難以控制。
3. 量子信息與計算：與聯想記憶的直接聯系使該平臺成為量子增強型神經形態計算的有力候選者。觀察到的容量增強表明，利用量子關聯和驅動耗散動力學可以帶來復雜優化和記憶任務中更優秀的計算性能。

總而言之，多模腔 QED 易辛自旋玻璃的成功實現標志著量子光學、凝聚態理論和復雜系統研究的強勁融合。它不僅僅是對經典材料的模仿，而是創造了一種全新的量子光學物質形式，能夠承載并闡明無序和受挫的最深層奧秘，推動該領域向非平衡和量子信息科學的新發現邁進。