來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等國內(nèi)外單位的研究人員在超冷原子量子計算和模擬研究中取得重要突破，他們開發(fā)了一種專用的量子計算機(jī)——71個格點(diǎn)的超冷原子光晶格量子模擬器，對量子電動力學(xué)方程施溫格模型進(jìn)行了成功求解，通過操控束縛在其中的超冷原子，首次模擬了規(guī)范場與物質(zhì)場之間的相互作用和轉(zhuǎn)化，并由此觀測到了局域規(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)范場理論是現(xiàn)代物理學(xué)的根基，主要用來描述基本粒子之間的相互作用、產(chǎn)生和湮滅過程。伴隨著規(guī)范場理論半個多世紀(jì)的發(fā)展，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)各種規(guī)范場方程求解的計算復(fù)雜度非常高，對超級計算機(jī)的數(shù)值計算能力形成了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。

于是，人們提出了開發(fā)一種被稱為量子模擬器的專用量子計算機(jī)，來構(gòu)建晶格規(guī)范場模型，在實驗中通過對模擬器各種參數(shù)的精準(zhǔn)調(diào)控來制備目標(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)范場模型的各種物理性質(zhì)。

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

為此，研究人員開發(fā)了71個格點(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，從實驗上觀測到了局域規(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)中驗證了描述電荷與電場關(guān)系的高斯定理，在使用規(guī)模化的量子模擬器求解復(fù)雜物理問題的道路上取得了突破性進(jìn)展。

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

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

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