在量子多体系统的研究中，对称性破缺是区分和理解不同物相的核心概念。近年来，物理学界发现了一种新颖的对称性破缺模式：量子态密度矩阵的强对称性自发破缺至弱对称性。这种“强-弱对称性破缺”现象对于理解开放量子系统中的新奇物相至关重要。然而，目前探测这种对称性破缺通常依赖于难以在实验中直接测量的多副本关联函数，例如二阶Rényi熵关联函数。这极大地限制了相关实验研究的进展。

针对这一问题，本系张鹏飞、冯磊课题组合作，创新性地提出了一个实用的实验探测方案。该方案基于近年来快速发展的随机测量工具箱（Randomized Measurements）。如图1所示，研究人员的核心思想是：首先，对目标量子态进行多次随机泡利（Pauli）测量并收集结果；其次，让该量子态经过特定荷算符（Charged operators）作用演化后，再进行同样大量的随机泡利测量。通过对这两组随机测量结果进行特定的数据处理，即可以估算出揭示强-弱对称性破缺的关键物理量——二阶Rényi熵关联函数。当样本量充足时，该方法能得到该关联函数的无偏估计；即使在样本量有限的情况下，该方法仍然能对相边界给出有效的估计。

图1. 利用随机测量探测强-弱对称性破缺示意图（核心步骤：原始态随机测量 + 荷算符演化后态随机测量）

研究人员以受全连通退相干影响的伊辛链（Ising chains with all-to-all decoherence）作为与实验相关的典型模型进行了数值模拟研究。模拟结果成功验证了该方案的有效性，清晰地展示了强-弱对称性破缺相变的发生。这一方案为在真实量子实验平台（如超导量子比特、离子阱、中性原子阵列等）上研究混合量子态中的新奇物相开辟了新的途径。

相关研究成果于2025年8月29日以“Scheme to Detect the Strong-to-Weak Symmetry Breaking via Randomized Measurements”为题发表在物理学顶级期刊《Physical Review Letters》上[Phys. Rev. Lett. 135, 090403 (2025)]。复旦大学物理学系博士后孙宁为论文第一作者，张鹏飞青年研究员和冯磊研究员为共同通讯作者。研究工作得到了上海市科委 (24QA2700300、24DP2600100)、国家自然科学基金(12374477)、科技创新2030-“量子通信与量子计算机”重大项目（2024ZD0300101、2023ZD0300900）和上海期智研究院的支持。