《自然物理》：终结低维物理数十年追寻，首次捕获量子临界相圣杯

一个多世纪以来，理解和控制物质的相与相变一直是凝聚态物理的核心驱动力。在传统的经典热力学系统中，液态与气态之间、或者铁磁态与顺磁态之间的转变，通常以组织对称性的突变为标志。然而，当这些相变不是由热涨落驱动，而是在绝对零度下由纯粹的量子涨落驱动时，系统便进入了量子相变的奇妙领域。

在这些量子相变的最边缘，存在着一种极为特殊的物态——量子临界态。这些状态既不是完全有序的，也不是完全混乱的；相反，它们代表了一种极度微妙、非平凡的平衡，其空间波函数展现出独特的多重分形特征。

几十年来，在实验中捕捉并证实一种结构稳定、不依赖极端微调的量子临界相，一直是低维物理学界苦苦追寻的“圣杯”之一。因为在有限尺寸的实验室系统中，边界效应和有限的尺度往往会抹平相边界上微妙的临界特征，这使得在不逼近热力学极限（无限大系统）的情况下，清晰地观测临界相变得几乎不可能。

这一瓶颈现在被彻底打破。在一篇发表于 《Nature Physics》的重磅合作成果中——题为 《Observation of exact quantum critical states》的论文，由深圳国际量子研究院与北京大学物理学院量子材料科学中心等机构组成的 31 人研究团队，阐述了如何利用先进的可编程超导量子模拟器，首次在实验上成功隔离、观测并解释了这种极为罕见的精确量子临界态。

1. 理论背景：安德森范式与临界态难题

要理解这一发现的重大意义，我们需要将目光投向菲利普·安德森（Philip W. Anderson）在 1958 年关于无序晶格中扩散缺失的开创性工作，即著名的安德森局域化。

在理想的周期性晶格中，电子波函数在整个空间中延展，形成布洛赫波，使系统表现出导电性（延展相/金属相）。相反，当晶格中引入强无序或随机杂质时，多重量子散射会导致波函数发生相消干涉，从而将电子牢牢限制在局部的空间“口袋”中，系统随之变为绝缘体（局域相/绝缘相）。

在标准的一维和二维随机无序系统中，任何微小的无序都会将所有电子量子态完全局域化。然而，在准周期系统中（这类系统具有长程有序但不具备平移周期性，例如 Aubry-André 模型），在一特定且有限的无序阈值处，会发生确切的局域化相变。

恰好处于这一相变刀锋边缘的，正是量子临界态。这种状态拥有极其诡谲的空间几何结构：

• 它不会像普通导体那样在空间中均匀扩散；
• 它也不会像局域绝缘体那样随距离呈指数衰减；
• 相反，它呈现出多重分形的尺度缩放特性，这意味着它的波函数在所有长度尺度上都展现出自相似性，并剧烈地起伏涨落。

实验上的重重阻碍

在真实的固体材料或有限尺寸的模拟晶格中，实验物理学家面临着巨大的挑战。在相变边界附近，系统的关联长度ξ会趋于发散。一旦关联长度超过了实验系统的尺寸L，要将一个真正的临界态与一个接近相变点的弱局域态或受限的延展态区分开来，在技术上就变得极其困难。

因此，以往的实验通常只能观察到孤立的临界点。而要观察到一个稳定的临界相（即在此范围内调节参数，系统仍能精确锁定在临界态），则必须引入某种全新的机制来对这些状态进行物理上的“锁定”。

2. 模型创新：准周期马赛克晶格

为这篇论文奠定坚实理论基石的，是北京大学刘雄军教授团队提出的一种名为马赛克模型（Mosaic Model）的改进型准周期系统。

在传统的 Aubry-André 模型中，准周期的不相称势能是被均匀施加在晶格的每一个格点上的。但在准周期马赛克模型中，这种不相称的势能调制是每隔固定间隔（例如每隔k个格点）才引入一次，中间的格点则保持不受调制的状态。

这种结构上的马赛克设计彻底改变了系统能谱的数学拓扑结构。通过精细调节跳跃振幅和马赛克调制的间距，理论团队成功构建出了一个包含由连续的精确量子临界态组成的宽能带。这成功建立了一种反常迁移率边——一个将局域态与临界相在能量轴上清晰截断的锐利边界。

3. 实验架构：超导量子模拟

为了验证这一精妙的理论，由俞大鹏院士领衔的研究员组成的深圳国际量子研究院实验团队，在自主研发的可编程超导量子模拟器芯片上展开了攻关。

高保真度哈密顿量映射

超导电路作为量子模拟平台拥有得天独厚的优势。芯片上的每个超导量子比特都可以被视为一个人工原子，其能级可以通过快速磁通线（$Z$ 控制）进行动态调整，而比特之间的耦合强度则可以通过微波总线进行精密控制。

• 格点势能：实验团队将准周期马赛克势能精准地映射到各个超导量子比特的固有频率上。
• 跳跃动力学：相邻比特之间的渐逝耦合，完美模拟了紧束缚晶格中电子的动能（跳跃）。
• 长程扩展：通过配置交叉串扰和次级总线，该芯片甚至能够模拟非局域的长程耦合，这使得团队能够进一步测试该临界相在受到外界干扰时的最终稳定性。

4. 核心突破与实验观测

该论文重点展示了两项重新定义低维量子力学认知边界的突破性实验发现：

突破一：发现“准周期零点保护机制”

该研究最核心的物理学启示在于提出并证实了一种普适的保护机制：准周期零点。

研究人员在对马赛克模型跳跃系数的数学表述进行深挖时发现，在系统内存在着一组呈不相称分布的精确“零点”——在这些节点上，波函数的传输受到了一种独特的拓扑约束。这些零点就像一道道无形的闸门，有效地阻止了临界态向延展区或局域区漂移。

实验结果表明，这种量子临界相具有极其强韧的生命力。即使改变势能的强度，这些精确临界态也能在极宽的参数范围内安然无恙，始终保持其多重分形特征。只有当实验人员刻意引入足够强的长程耦合（从而在物理上绕过或破坏了这些准周期零点）时，这种保护机制才会失效，导致临界态发生崩塌。

突破二：直接测量反常迁移率边

迁移率边（Mobility edge）是标志着量子粒子从导电（延展）走向绝缘（局域）的临界能量分界线。

研究团队利用超导芯片特有的格点分辨量子态断层扫描技术，通过追踪注入的微波激发随时间的动力学演化，成功绘制出了系统完整的相图。他们观测到，在特定能量下的激发可以自由扩散，在另一部分的能量下则完全冻结（局域化）；而夹在两者之间的一个特定能量带内，激发表现出明显的反常非高斯次扩散——这正是受反常迁移率边保护的精确临界相的铁证。

5. 科学影响与未来展望

《Observation of exact quantum critical states》的发表，无论是在理论物理还是量子技术层面，都具有里程碑式的意义：

喧嚣的中型量子（NISQ）时代的一大胜利

目前，人类正处于含噪声中型量子（NISQ）技术的发展阶段。尽管建造通用、完全容错的纠错量子计算机仍任重道远，但这篇论文用无可辩驳的实验结果证明，现阶段的 NISQ 处理器已经足够成熟，完全可以作为功能强大的高级量子材料模拟器。通过解决经典超级计算机难以企及的复杂凝聚态物理多体计算，该研究为当今的量子硬件指明了一条极具现实价值的应用道路。

拓宽局域化物理的版图

通过验证“准周期零点”这一全新的物理机制，该联合团队为如何构建稳定的非各个态遍历（Non-ergodic）量子相提供了一套全新的蓝图。这对于拓展量子热力学和开发新型人工合成材料具有深远的指导意义。

助力量子信息的保持

由于受迁移率边保护的临界相能够天然地抵抗标准的无序热化，深入理解其稳定性有望为对抗环境退相干提供全新策略。未来，科学家或许可以利用这类独特的局域与临界子空间，来安全地存储量子信息，使其免受全局噪声的干扰。