研究人员取得了显著成果：捕捉和研究量子硬件中的相变，这为下一代技术，如量子计算和超灵敏传感器，带来了希望。
相变，如水冻结成冰，是我们世界中一个熟悉的部分。然而在量子系统中，它们可能表现得更加戏剧化，海森堡不确定性等量子特性发挥着核心作用。此外，各种伪影效应会导致系统失去或消散能量到环境中。当它们发生时，这些“耗散相变”（DPTs）将量子系统推向新的状态。
DPTs有不同类型或“秩序”。一阶DPTs就像翻开开关，导致状态之间的急剧跳跃。二阶DPTs则较为平滑，但仍具有变革性，以微妙而深刻的方式改变系统的一个全局特征，称为对称性。
DPTs对理解量子系统在非平衡条件下的行为至关重要，此时基于热力学的论证往往无法提供答案。除了纯粹的好奇心之外，这对构建更稳健的量子计算机和传感器具有实际意义。例如，二阶DPTs可以增强量子信息存储，而一阶DPTs揭示了系统稳定性和控制的重要机制。
理论上，DPTs被预测具有特定特性，如减缓和双稳态，并在特定幂律尺度上发生。迄今为止，观察它们一直是一个重大的科学难题——尤其是二阶DPT。
但现在，一组研究人员恰恰做到了这一点。在EPFL，帕斯夸尔·斯卡尔利诺教授领导他们开发了一个超导Kerr谐振器，这是一种具有可控量子特性的设备，并将其工程设计为经历双光子驱动，将成对的光子送入系统，以精确控制其量子状态并研究其在不同相之间的过渡。
通过系统地变化诸如脱谐和驱动幅度等参数，他们能够研究系统从一个量子状态过渡到另一个量子状态。该方法使他们观察到一阶和二阶DPT。
为了确保准确性，实验在接近绝对零度的温度下进行，几乎将背景噪声降至为零。Kerr谐振器的关键是它能够放大通常细微到难以观察的量子效应。由于它能够对双光子信号作出极其敏感的响应，研究人员能够使用它以空前的精确度探索相变——这是传统设备简单无法实现的。
该装置使团队能够使用超灵敏探测器监测谐振器发出的光子的行为。通过使用先进的数学技术，如与Liouvillian超算子的光谱特性关联——一个建模复杂量子过程的工具，科学家能够精确追踪和分析系统的相变。
对于二阶DPT，团队观察到一种称为“挤压”的现象，其中量子波动降到低于空旷空间的自然背景噪声的水平，标志着系统已达到高度敏感和变革性的状态。同时，一阶DPT显示出明显的滞回循环，系统可以根据参数调节的不同存在于两个状态。
其次，他们发现了一阶DPT期间的亚稳态的明确证据，其中系统暂时停留在一个稳定状态，然后突然过渡到另一个状态。这种行为导致系统状态对其先前历史的依赖，称为滞后，展示了一阶DPT如何涉及竞争相。
最后，他们在两种类型的转变中观察到“临界减速”，再现了从理论考虑中获得的预期尺度。这最终证明了基于Liouvillian理论的理论预测的有效性，这是作者所使用的。接近临界点时，系统的响应明显减慢，这突显了相变的一种普遍特征，这种特征可以被利用于更精确的量子测量。
理解DPT为工程设计既稳定又灵敏的量子系统开辟了新可能性。这可能会彻底改变量子信息技术，如量子计算中的错误修正或超灵敏量子传感器的开发。
更广泛地说，这项研究展示了跨学科合作的力量——将实验物理学、高级理论模型和尖端工程相结合，以探索科学的前沿。
“事实上，这项工作的一个非常有趣的方面是，它还证明了理论与实验之间的紧密合作如何产生比任何一方独立达成的结果要大的多的成果，”论文的第一作者吉约姆·博利厄说。
