央廣網合肥11月19日消息（記者劉軍）記者從中國科學技術大學獲悉，該校潘建偉、苑震生等與德國海德堡大學、義大利特倫託大學的合作者在超冷原子量子計算和模擬研究中取得重要突破，他們開發了一種專用的量子計算機---71個格點的超冷原子光晶格量子模擬器，對量子電動力學方程施溫格模型進行了成功模擬，通過操控束縛在其中的超冷原子，從實驗上觀測到了局域規範不變量，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，取得了利用規模化量子計算和量子模擬方法求解複雜物理問題的重要突破。北京時間11月19日，國際著名學術期刊《自然》雜誌發表了該研究成果。
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。伴隨著規範場理論半個多世紀的發展，科學家們發現各種規範場方程求解的計算複雜度非常高，對超級計算機的數值計算能力形成了嚴重的挑戰。於是，科學家提出了開發專用量子計算機---量子模擬器---構建晶格規範場模型，在實驗中通過對模擬器的各種參數的精準調控制備目標量子物態，並用量子氣體顯微鏡成像等手段，觀測所模擬的量子物態的相變、量子關聯等性質，獲得待研究規範場模型的各種物理性質。
但在以往的實驗中，受到相干調控粒子數太少、無法同時產生規範場和物質場等因素限制，研究者都無法觀測規範場理論最基本的特性——局域規範不變性。為了解決這兩個主要問題，中國科大的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；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。
在以上研究的基礎上，通過實驗和理論結合，該聯合研究團隊通過實驗上的精確調控，在71個格點的超冷原子量子模擬器上模擬了一維格點體系的施溫格模型，首次模擬了規範場與物質場之間的相互作用和轉化、並由此觀測到了局域規範不變性（驗證了高斯定理），在使用規模化的量子模擬器求解複雜物理問題的道路上取得了突破性的進展。
《自然》雜誌的審稿人對此工作給予了高度評價：認為這項工作「是量子模擬方法研究晶格規範場的一個重要的裡程碑……該工作同時模擬了物質場和規範場，是相關交叉學科研究的裡程碑。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。」
據了解，近年來，潘建偉研究團隊在利用超冷原子產生大規模量子糾纏態進行量子計算、構建拓撲量子計算系統、模擬凝聚態超流模型、模擬人工規範場、開展超冷化學研究等方面取得了一系列原創性的科研成果，已在《自然》、《科學》等國際著名學術期刊上發表論文17篇，成為國際上超冷原子量子計算和量子模擬領域的領跑團隊之一。該研究工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院、教育部和安徽省等的支持。