71個(gè)格點(diǎn)的超冷原子光晶格量子模擬器成功求解量子電動(dòng)力學(xué)方程

2020-11-19 11:17:18來(lái)源：科技日?qǐng)?bào)

量子模擬器求解復(fù)雜物理問(wèn)題獲得突破性進(jìn)展!

來(lái)自中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等國(guó)內(nèi)外單位的研究人員在超冷原子量子計(jì)算和模擬研究中取得重要突破，他們開(kāi)發(fā)了一種專用的量子計(jì)算機(jī)——71個(gè)格點(diǎn)的超冷原子光晶格量子模擬器，對(duì)量子電動(dòng)力學(xué)方程施溫格模型進(jìn)行了成功求解，通過(guò)操控束縛在其中的超冷原子，首次模擬了規(guī)范場(chǎng)與物質(zhì)場(chǎng)之間的相互作用和轉(zhuǎn)化，并由此觀測(cè)到了局域規(guī)范不變性。相關(guān)研究成果11月19日在線發(fā)表于《自然》雜志上。

規(guī)范場(chǎng)理論是現(xiàn)代物理學(xué)的根基，主要用來(lái)描述基本粒子之間的相互作用、產(chǎn)生和湮滅過(guò)程。伴隨著規(guī)范場(chǎng)理論半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)各種規(guī)范場(chǎng)方程求解的計(jì)算復(fù)雜度非常高，對(duì)超級(jí)計(jì)算機(jī)的數(shù)值計(jì)算能力形成了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。

于是，人們提出了開(kāi)發(fā)一種被稱為量子模擬器的專用量子計(jì)算機(jī)，來(lái)構(gòu)建晶格規(guī)范場(chǎng)模型，在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)對(duì)模擬器各種參數(shù)的精準(zhǔn)調(diào)控來(lái)制備目標(biāo)量子物態(tài)，并用量子氣體顯微鏡成像等手段，觀測(cè)所模擬的量子物態(tài)的相變、量子關(guān)聯(lián)等性質(zhì)，獲得待研究規(guī)范場(chǎng)模型的各種物理性質(zhì)。

“在國(guó)際上，有不少研究人員用超冷原子、囚禁離子等體系對(duì)規(guī)范場(chǎng)模型的基本單元進(jìn)行了初步的量子模擬研究。但是，這些實(shí)驗(yàn)要么體系太小，不具備局域規(guī)范不變性，要么無(wú)法同時(shí)產(chǎn)生規(guī)范場(chǎng)和物質(zhì)場(chǎng)，更不能研究這兩種場(chǎng)之間的相互作用和轉(zhuǎn)化。”中國(guó)科技大學(xué)常務(wù)副校長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士潘建偉說(shuō)，因此，此前的研究都無(wú)法觀測(cè)規(guī)范場(chǎng)理論最基本的特性——局域規(guī)范不變性。

為此，研究人員開(kāi)發(fā)了71個(gè)格點(diǎn)的超冷原子量子模擬器，模擬一維格點(diǎn)體系的施溫格模型，從實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到了局域規(guī)范不變量，首次使用微觀量子調(diào)控手段在量子多體系統(tǒng)中驗(yàn)證了描述電荷與電場(chǎng)關(guān)系的高斯定理，在使用規(guī)模化的量子模擬器求解復(fù)雜物理問(wèn)題的道路上取得了突破性進(jìn)展。

《自然》雜志審稿人對(duì)該工作給予了高度評(píng)價(jià)。他們認(rèn)為這項(xiàng)工作“是量子模擬方法研究晶格規(guī)范場(chǎng)的一個(gè)重要的里程碑”，“邁出了模擬晶格規(guī)范場(chǎng)理論的真正一步：從實(shí)現(xiàn)量子模擬器的模塊到對(duì)特定模型的完全模擬”。

中國(guó)科技大學(xué)教授苑震生表示，未來(lái)研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步使用量子模擬的方法研究具有其他群對(duì)稱性的、更高空間維度的規(guī)范場(chǎng)模型，并可推廣到遠(yuǎn)離平衡態(tài)的規(guī)范場(chǎng)系統(tǒng)，研究真空衰變、與拓?fù)浣嵌认嚓P(guān)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程等重要物理難題。

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