Phasenübergänge wie das Einfrieren von Wasser in Eis sind ein vertrauter Teil unserer Welt. In Quantensystemen können sie sich jedoch noch dramatischer verhalten, wobei Quanteneigenschaften wie die Heisenberg -Unsicherheit eine zentrale Rolle spielen. Darüber hinaus können falsche Effekte dazu führen, dass die Systeme Energie für die Umwelt verlieren oder auflösen. Wenn sie auftreten, drücken diese „dissipativen Phasenübergänge“ (DPTs) Quantensysteme in neue Zustände.
Es gibt verschiedene Arten oder „Bestellungen“ von DPTs. DPTs erster Ordnung sind wie das Umdrehen eines Schalters und verursachen abrupte Sprünge zwischen den Zuständen. DPTs zweiter Ordnung sind reibungsloser, aber immer noch transformativ, wodurch eines der globalen Merkmale des Systems, die als Symmetrie bezeichnet werden, auf subtile, aber tiefgreifende Weise verändert.
DPTs sind der Schlüssel zum Verständnis, wie sich Quantensysteme bei Nicht-Gleichgewichtsbedingungen verhalten, bei denen Argumente, die auf der Thermodynamik basieren, häufig keine Antworten liefern. Abgesehen von der reinen Neugier hat dies praktische Auswirkungen auf den Aufbau robusterer Quantencomputer und Sensoren. Beispielsweise könnten DPTs zweiter Ordnung die Speicherung der Quanteninformation verbessern, während DPTs erster Ordnung wichtige Mechanismen für die Systemstabilität und -steuerung aufweisen.
Theoretisch wurde vorausgesagt, dass DPTs spezifische Eigenschaften wie Verlangsamung und Bistabilität mit spezifischen Stromversorgungsskalen auftreten. Bisher war es eine große wissenschaftliche Hürde, sie zu beobachten-insbesondere die zweiten Ordnung.
Aber jetzt hat ein Team von Forschern genau das getan. Unter der Leitung von Professor Pasquale Scarlino von EPFL entwickelten sie einen supraleitenden Kerr Resonator, ein Gerät mit steuerbaren Quanteneigenschaften, und entwickelten es, einen Zwei-Photonen-Antrieb zu erleben, der Paare von Photonen in das System sendet, um den Quantentatus sorgfältig zu steuern und zu untersuchen, wie es zwischen verschiedenen Phasen übergeht. Die Arbeit ist veröffentlicht In Naturkommunikation.
Durch systematisch variierende Parameter wie Untertastung und Antriebsamplitude konnte das Team die Übergänge des Systems von einem Quantenzustand in einen anderen untersuchen. Der Ansatz ermöglichte es ihnen, sowohl eine DPT erster und zweiter Ordnung zu beobachten.
Um die Genauigkeit zu gewährleisten, wurden die Experimente bei Temperaturen in der Nähe von absolutem Null durchgeführt, wodurch das Hintergrundgeräusch auf fast nichts reduziert wurde. Der Kerr Resonator war entscheidend, da er Quanteneffekte verstärken kann, die oft zu subtil sind, um sie zu beobachten. Da es auf Zwei-Photonen-Signale mit extremer Empfindlichkeit reagieren kann, konnten die Forscher es verwenden, um Phasenübergänge mit beispielloser Präzision zu untersuchen-etwas traditionelle Setups können einfach nicht erreichen.
Das Setup ermöglichte es dem Team, das Verhalten von Photonen zu überwachen, die vom Resonator mit ultra-sensitiven Detektoren emittiert wurden. Durch die Verwendung fortschrittlicher mathematischer Techniken, wie die Verbindung mit den spektralen Eigenschaften des liouvillianischen Superoperators – ein Tool, das komplexe Quantenprozesse modelliert – konnten die Wissenschaftler die Phasenübergänge des Systems präzise verfolgen und analysieren.
Für das DPT zweiter Ordnung beobachtete das Team ein Phänomen namens „Quetschen“, bei dem Quantenschwankungen auf Pegel fallen, die niedriger sind als das natürliche Hintergrundrauschen des leeren Raums, und signalisiert, dass das System einen hochempfindlichen und transformativen Zustand erreicht hat. In der Zwischenzeit zeigte die DPT erster Ordnung unterschiedliche Hysteresezyklen, in denen das System in zwei Zuständen bestehen konnte, je nachdem, wie Parameter eingestellt wurden.
Zweitens fanden sie klare Hinweise auf metastabile Zustände während des DPT erster Ordnung, in dem das System vorübergehend in einem stabilen Zustand blieb, bevor sie abrupt zu einem anderen wechselte. Dieses Verhalten, das zu einer Abhängigkeit des Systems des Systems zu seiner Vorgängergeschichte als Hysterese führt, zeigt, wie DPTs erster Ordnung konkurrierende Phasen beinhalten.
Zuletzt beobachteten sie „kritische Verlangsamung“ in beiden Arten von Übergängen und reproduzierten die erwartete Skalierung, die aus theoretischer Überlegung erhalten wurde. Dies zeigt letztendlich die Gültigkeit theoretischer Vorhersagen auf der Grundlage der von den Autoren verwendeten liouvillischen Theorie. In der Nähe der kritischen Punkte verlangsamte sich die Reaktion des Systems erheblich und hob ein universelles Merkmal von Phasenübergängen hervor, das für genauere Quantenmessungen genutzt werden konnten.
Das Verständnis von DPTs eröffnet neue Möglichkeiten für technische Quantensysteme, die sowohl stabil als auch reaktionsschnell sind. Dies könnte die Quanteninformationstechnologien wie Fehlerkorrektur im Quantencomputer oder die Entwicklung ultra-sensitiver Quantensensoren revolutionieren.
Im weiteren Sinne zeigt diese Forschung die Macht der interdisziplinären Zusammenarbeit-Entmischung der experimentellen Physik, fortschrittliche theoretische Modelle und modernster Engineering, um die Grenzen der Wissenschaft zu erforschen.
„Tatsächlich ist ein sehr interessanter Aspekt dieser Arbeit, dass sie auch zeigt, wie eng die Zusammenarbeit zwischen Theorie und Experiment zu Ergebnissen führen kann, die weitaus größer sind als das, was jede Gruppe unabhängig hätte erzielen können“, sagt Guillaume Beaulieu, der Erstautor der Zeitung.
Weitere Informationen:
Guillaume Beaulieu et al., Beobachtung von dissipativen Phasenübergängen erster und zweiter Ordnung in einem zweifotonen angetriebenen Kerr Resonator, Naturkommunikation (2025). Doi: 10.1038/s41467-025-56830-w