《PRL》重磅：多模腔QED实现伊辛自旋玻璃态

自旋玻璃的概念——一种以淬火无序和竞争性（受挫）相互作用为特征的磁性系统——深刻地影响了我们对复杂系统的理解，其应用范围从凝聚态物理到理论神经科学和优化问题。几十年来，诸如 Sherrington-Kirkpatrick (SK) 模型之类的理论平均场模型预测了副本对称性破缺 (Replica Symmetry Breaking, RSB) 等异乎寻常的现象，这些现象挑战了传统的、基于热力学平衡的描述。

然而，在实验上实现和精确微观研究这些复杂状态，尤其是在量子体系中，仍然是一个巨大的挑战。随着多模腔量子电动力学 (Multimode Cavity QED) 作为一个量子模拟平台的兴起，为这一研究开辟了新的前沿，并最终促成了多模腔 QED 易辛自旋玻璃的实验实现。这一成就为在驱动耗散的量子环境中，以前所未有的控制和微观访问能力，研究玻璃态的标志性特征提供了可能。

自旋玻璃的范式及其理论基础

自旋玻璃与简单的铁磁体或反铁磁体的区别在于两个关键特征：无序和受挫。无序指的是磁性原子位置的随机性，或更根本地，原子间相互作用符号的随机性。受挫则源于这些随机相互作用的竞争性质，使得系统无法同时满足所有的相互作用要求。其结果是一个崎岖不平、非凸的能量景观，其中存在指数级的亚稳态、低能量状态。

无限程 SK 模型是这种状态的规范平均场描述，乔治·帕里西 (Giorgio Parisi) 对其的求解引入了具有开创性的副本对称性破缺 (RSB) 概念。RSB 认为自旋玻璃的平衡态并非单一相，而是一个复杂的、由不同非遍历态构成的等级结构。这种层次结构通过帕里西函数q(x)和这些低能态空间的超度量结构在数学上得以描述。在传统的固态材料中，由于其微观复杂性和实现平衡态的挑战，直接探测 RSB 是非常困难的。

多模腔 QED 作为量子模拟器

多模腔 QED 提供了一个理想的、高度可控的平台，用于实现和研究受挫的、全连接的自旋相互作用系统。

1. 工程化的全连接相互作用

该系统由放置在支持多个近简并模式的高精细度光学腔内的超冷原子构成。原子（通常编码在内部原子态中）充当了有效的易辛自旋。其核心机制是光子介导的相互作用：

• 激光驱动原子，使它们虚拟地散射光子进入腔模式。
• 这些腔内光子在整个系统中传播，并被其他原子重新吸收。
• 这一过程在所有原子对之间产生了有效的自旋-自旋相互作用 (Ji,j) ，这种全连接特性自然地模拟了平均场 SK 模型。

2. 产生无序和受挫

至关重要的是，许多相互作用的腔模式的空间分布是复杂的。通过使用光镊将原子团簇（有效自旋）捕获在腔内的随机空间位置上，任意一对自旋 i 和 j 之间的有效耦合强度 Ji,j 就变成了随机符号和空间相关的。这为系统哈密顿量引入了无序和受挫的要素，从而实现了一种可配置的人工自旋玻璃。

3. 驱动耗散环境

与经典 SK 模型的纯热平衡不同，腔 QED 系统在驱动耗散体制下运行。系统被外部激光持续驱动，并通过光子从腔镜中泄漏（损耗，κ）而耗散能量。这引入了额外的复杂性，使得这种实现成为非平衡量子统计力学领域的研究。

实验里程碑和关键观测结果

最近的实验利用了新型的多模几何结构，例如“4/7”谐振腔，达到了更高的复杂程度，将网络规模增加到n=25个自旋。这些实验确立了几个重要的里程碑：

1.观测到副本对称性破缺 (RSB)：通过驱动系统穿过一个受挫的横场易辛相变，并测量不同实验运行（作为副本）之间的重叠，研究人员直接测量了关键的自旋玻璃序参数：

• 爱德华兹-安德森重叠 (qEA)，用于量化平均冻结程度。
• 帕里西函数 q(x)，这是 RSB 的明确标志。测得的 q(x) 函数与理论上完全 RSB 系统的预测相符，证实了非平衡稳态的层次结构。

2.超度量结构：实验验证了相空间的超度量结构，这是 RSB 的一个结果，意味着非遍历态的层次聚类，类似于重叠的“树状”结构。

3.熵与动力学：该系统允许研究动态特性，例如证明最终自旋玻璃态的熵取决于系统穿越相变时的速率，这一现象与玻璃化转变的非平衡性质有关。

4.自旋玻璃作为联想记忆：全连接自旋玻璃的物理学在数学上等同于霍普菲尔德神经网络，一种联想记忆模型。驱动耗散的腔 QED 系统成功展示了其作为高容量联想记忆的功能，并且由于系统的量子和非平衡动力学特性，其容量甚至超过了经典的霍普菲尔德极限。

更广泛的意义和未来展望

多模腔 QED 易辛自旋玻璃是量子模拟发挥作用的典范。

1. 连接理论与实验：它为物理学中最复杂且长期争论的理论之一——帕里西的 RSB——提供了一个清晰、微观的测试平台，但置于一个全新的、非平衡的环境中。它推动了将 RSB 等平衡概念扩展到开放量子系统领域的研究。
2. 探索非平衡动力学：能够调节驱动和耗散速率，为在微观层面上研究老化和复兴等动态玻璃态现象打开了大门，这些现象在固态系统中是出了名的难以控制。
3. 量子信息与计算：与联想记忆的直接联系使该平台成为量子增强型神经形态计算的有力候选者。观察到的容量增强表明，利用量子关联和驱动耗散动力学可以带来复杂优化和记忆任务中更优秀的计算性能。

总而言之，多模腔 QED 易辛自旋玻璃的成功实现标志着量子光学、凝聚态理论和复杂系统研究的强劲融合。它不仅仅是对经典材料的模仿，而是创造了一种全新的量子光学物质形式，能够承载并阐明无序和受挫的最深层奥秘，推动该领域向非平衡和量子信息科学的新发现迈进。