科學家利用規模化量子模擬器求解複雜物理問題

規範場理論描述基本粒子之間的相互作用、產生和湮滅過程，可以用晶格中超冷原子間的相互作用及其排布模式來模擬。石千惠、梁琰製圖

本報訊（記者陳歡歡）11月19日，《自然》發表了中國科學技術大學潘建偉院士和苑震生教授團隊的最新研究進展，在71個格點的超冷原子量子模擬器中求解施溫格方程。這一成果成功利用規模化量子計算和量子模擬方法求解了複雜物理問題。

據悉，研究團隊同德國、義大利科學家合作，開發了專用的量子計算機——71個格點的超冷原子光晶格量子模擬器，通過精確調控成功模擬量子電動力學方程施溫格模型，操控束縛在其中的超冷原子，首次模擬了規範場與物質場之間的相互作用和轉化，觀測到了局域規範不變量，並首次使用微觀量子調控手段在量子多體系統中驗證了描述電荷與電場關係的高斯定理。

《自然》審稿人評價稱：「這是量子模擬方法研究晶格規範場的一個重要的裡程碑。它將受到多個學科領域的關注，從基本粒子、晶格規範場和量子信息方面的理論學家，到原子分子光學、固態物理領域的實驗物理學家。」「邁出了模擬晶格規範場理論的真正一步：從實現量子模擬器的模塊到對特定模型的完全模擬。」

規範場理論是現代物理學的根基，如描述基本粒子相互作用的量子電動力學、標準模型等都是滿足特定群對稱性的規範場理論。但是，各種規範場方程求解的計算複雜度之高，對超級計算機提出挑戰，量子計算機被寄予厚望。於是，專用量子計算機——量子模擬器應運而生。但目前國際上對規範場模型的初步量子模擬研究，要麼體系太小，僅有2~4個粒子，不具備局域規範不變性；要麼無法同時產生規範場和物質場，更不能研究這兩種場之間的相互作用和轉化。因此，此前的研究都無法觀測規範場理論最基本的特性——局域規範不變性。

為了解決這一問題，研究團隊開發了獨特的自旋依賴超晶格、顯微鏡吸收成像、粒子數分辨探測等量子調控和測量技術，在超冷原子量子模擬器中首先實現了對Z2規範對稱性的規範場模型單元哈密頓量的研究，相關成果2017年發表於《自然—物理》。今年6月，他們又提出並實現了光晶格中原子的深度製冷，解決了量子模擬器溫度過高、缺陷過多的問題，實驗製備了近百個原子級別的規模化量子模擬器，成果發表於《科學》。此次最新成果又在使用規模化量子模擬器求解複雜物理問題的道路上取得突破性進展。

未來，該團隊將進一步使用量子模擬的方法研究具有其他群對稱性的、更高空間維度的規範場模型，並可推廣到遠離平衡態的規範場系統，以及研究真空衰變、與拓撲角度相關的動力學過程等重要物理難題。