潘建偉團隊量子研究再獲突破，登上《自然》雜誌

2020-11-19 中國青年網

中國青年報客戶端北京11月19日電（中青報·中青網記者 邱晨輝）我國量子計算和量子模擬研究再獲突破。來自中國科學院11月19日的消息稱：中國科學技術大學潘建偉、苑震生等與德國海德堡大學、義大利特倫託大學的合作者開發了一種專用量子計算機——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。

示意圖：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,這一過程可以用晶格中超冷原子之間的相互作用及其在晶格中的排布模式來模擬。製圖：石千惠、梁琰

這是物理學家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，實現了「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。11月19日凌晨，國際學術期刊《自然》雜誌發表了該研究成果。

據介紹，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。

潘建偉說，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。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。

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」。

中國科學技術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。

來源：中國青年報客戶端

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