研究在离子阱中实现范德波尔振子的量子模拟

范德波尔振子在非线性动力学、混沌研究和同步现象分析中具有重要作用。范德波尔振子量子版本作为驱动-耗散开放量子系统的典范模型，近年来引起理论界关注。由于量子涨落和相干性的存在，量子范德波尔振子展现出较多区别于经典行为的新奇特性，对探讨非平衡量子动力学和发展量子技术具有重要意义。

中国科学技术大学教授林毅恒团队，联合深圳大学教授李俊和杨晓东、德国斯图加特大学教授Eric Lutz，在量子自持振子研究方面取得进展。研究团队首次利用单个离子实验实现了量子范德波尔振子，演示了量子极限环的形成、量子同步及其增强等非经典行为。

团队基于离子阱系统，以单个钙离子的轴向振动模式模拟量子谐振子，通过耗散工程方法引入可控的自旋-振子耦合，构造出所需的线性和非线性阻尼项。实验采用时序化操控，结合相干驱动与耗散操作，实现了量子范德波尔振子的有效动力学。

在无外部驱动条件下，实验首次观测到量子极限环的自发形成过程。当施加周期驱动后，系统表现出量子同步现象，不同初态都被锁定到与驱动频率一致的周期性运动，并呈现相位锁定。团队进一步绘制出同步区域随参数变化的阿诺德舌头，验证了量子同步的鲁棒性。

实验研究揭示了若干非经典效应：在深量子区域中，适度的线性耗散反而能够增强同步特性，这与经典行为存在本质区别；通过施加特定方向的非经典压缩操作，可抑制量子噪声，提高同步的稳定性；在强压缩条件下，系统会出现相空间分布的分岔现象，形成双稳态特征，展现出丰富的非线性量子动力学行为。

上述工作为实验研究量子谐振子及其非线性动力学提供了新平台，有望应用于量子传感、量子态制备和量子机器学习等领域。同时，将该系统扩展至振子网络可揭示新的集体现象，在推动量子技术发展和非平衡量子动力学研究等方面具有潜力。

10月10日，相关研究成果发表在《科学进展》（Science Advances）上。研究工作得到国家自然科学基金委员会和科学技术部等的支持。

论文链接

量子范德波尔振子的实验实现与同步特性

耗散与压缩对量子同步的增强效应