71個格點的量子模擬器 對量子電動力學方程施溫格模型進行了成功求解

71個格點的量子模擬器 對量子電動力學方程施溫格模型進行了成功求解

來源：科技日報 • 2020-11-19 16:27:40

來自中國科學技術大學等國內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求解，通過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，並由此觀測到了局域規範不變性。相關研究成果11月19日在線發表於《自然》雜誌上。

規範場理論是現代物理學的根基，主要用來描述基本粒子之間的相互作用、產生和湮滅過程。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，人們提出了開發一種被稱為量子模擬器的專用量子計算機，來構建晶格規範場模型，在實驗中通過對模擬器各種參數的精準調控來製備目標量子物態，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。

「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範場模型的基本單元進行了初步的量子模擬研究。但是，這些實驗要麼體系太小，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。」中國科技大學常務副校長、中國科學院院士潘建偉說，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。

為此，研究人員開發了71個格點的超冷原子量子模擬器，模擬一維格點體系的施溫格模型，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，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進展。

《自然》雜誌審稿人對該工作給予了高度評價。他們認為這項工作「是量子模擬方法研究晶格規範場的一個重要的裡程碑」，「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」。

中國科技大學教授苑震生表示，未來研究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，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。