中科大聯合團隊用超冷原子量子模擬器成功求解施溫格方程

　　記者11月19日從中國科學技術大學獲悉，該校教授潘建偉、苑震生等與德國海德堡大學、義大利特倫託大學合作者利用一種專用量子計算機，即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。 11月19日，該成果發表在國際著名學術期刊《自然》上。

　　規範場理論是現代物理學的根基。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嚴重挑戰。於是，人們提出開發專用量子計算機，即用量子模擬器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。

　　此前，多國科學家利用超冷原子、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。但這些實驗均無法觀測規範場理論最基本的特性——局域規範不變性，因為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。

　　為了解決這些難題，中科大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。在此基礎上，通過實驗和理論結合，該聯合研究團隊找到了施溫格模型中正負粒子、電場與哈伯德模型中原子在格點上的各種佔據構型之間的映射關係，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，並由此觀測到局域規範不變性，驗證了高斯定理。

　　《自然》審稿人認為，該工作同時模擬了物質場和規範場，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。（記者 陳婉婉）