近日，在俞大鹏院士的带领下，深圳国际量子研究院超导量子计算实验室谭电课题组，联合Alan C. Santos课题组,刘松课题组以及Nikolaj T. Zinner课题组，在短程相互作用系统中成功观测到自发对称性破缺现象，并揭示了从经典反铁磁（AFM）态到量子铁磁（FM）态的转变。这一成果不仅为量子相变理论提供了重要的实验支持，也为量子计算和量子模拟研究提供了新的思路。相关成果以“Digital simulation of zero-temperature spontaneous symmetry breaking in a superconducting lattice processor”为题于2025年4月7日在国际学术期刊Nature Communications上在线发表，并入选编辑推荐亮点论文(Editors' Highlights)。

图1. 超导量子芯片中自发对称性破缺的数字量子模拟示意图

对称性破缺是自然界中的基本物理机制，广泛应用于粒子物理、凝聚态物理和宇宙学。例如，标准模型中的希格斯机制解释了基本粒子的质量起源，而在凝聚态物理中，对称性破缺是铁磁性、超导性和超流性等现象的关键理论基础。

在低维系统中，Mermin-Wagner定理指出，由于热涨落的影响，短程相互作用系统在有限温度下通常难以形成长程有序的相变。然而，在绝对零度下，量子涨落可能主导相变过程，从而诱导新的量子相变。本研究不仅突破了传统理论对短程相互作用系统中自发对称性破缺现象的限制，还展示了数字绝热演化方法在量子计算和量子模拟中广泛的应用潜力。

图2. 数字绝热演化（DAE）的基本框架，其中，通过Suzuki-Trotter展开将连续时间演化离散化，并将其映射到量子线路，从而在数字量子计算平台上高效模拟目标哈密顿量的演化过程。

图3. 超导量子处理器，数字量子模拟的量子电路架构。不同磁化平面上的演化轨迹以及能量在不同演化步长下的分裂行为。

研究团队在实验上通过数字绝热演化在超导量子处理器上模拟绝对零度下的自发对称性破缺现象。实验平台基于超导Cayley树型晶格量子处理器，由7个超导量子比特组成，结合含时哈密顿量演化，在有限步长内实现对自发对称性破缺过程的模拟。研究团队采用Suzuki-Trotter展开将连续量子演化离散化，并借助单比特和两比特门来构建高精度量子线路，实现精准模拟哈密顿量演化。研究团队通过测量两点关联函数

，

实验上观察到其随时间演化的变化，揭示了系统从经典AFM态到量子FM态过渡的动态过程。此外，研究团队通过Rényi熵来量化系统在相变过程中的量子纠缠。实验结果表明，无论是反铁磁态还是铁磁态，系统都在演化过程中都产生了量子纠缠，进一步揭示了在绝对零度下的自发对称性破缺的量子本质。

图4. 数字绝热演化线路的具体实现方式，两点关联函数

的实验测量结果，实验数据与理论预测的相似度分析。

图5. 超导量子比特系统的Rényi熵的测量结果。

在该研究成果中，深圳国际量子研究院胡长康为论文第一作者。刘松、谭电、Alan C. Santos、俞大鹏院士为论文共同通讯作者。该研究由深圳国际量子研究院、南方科技大学、丹麦奥胡斯大学、华东师范大学、西班牙基础物理研究所等多家研究机构合作完成。合作者还包括Kasper Poulse、沈乐成教授等。深圳国际量子研究院为论文第一完成单位。该工作得到了广东省科技厅、深圳市科创局、国家自然科学基金委、南方科技大学和合肥国家实验室等单位的大力支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-57812-8