11 月 20 日消息 我國在超冷原子量子計算和模擬研究中再獲突破。

據(jù)來自中國科學(xué)院的消息，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、苑震生等與德國海德堡大學(xué)、意大利特倫托大學(xué)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(fā)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(xué)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(guī)范不變量。

這是物理學(xué)家首次使用微觀量子調(diào)控手段，在量子多體系統(tǒng)中驗證了描述電荷與電場關(guān)系的高斯定理，實現(xiàn)了 “利用規(guī)?；孔佑嬎愫土孔幽M方法求解復(fù)雜物理問題”的重要突破。

11 月 19 日凌晨，國際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志發(fā)表了該研究成果。《自然》雜志審稿人認(rèn)為，這項工作 “是量子模擬方法研究晶格規(guī)范場的一個重要的里程碑”，“邁出了模擬晶格規(guī)范場理論的真正一步：從實現(xiàn)量子模擬器的模塊到對特定模型的完全模擬”。

據(jù)介紹，規(guī)范場理論是現(xiàn)代物理學(xué)的根基，主要用來描述基本粒子之間的相互作用、產(chǎn)生和湮滅過程。伴隨著規(guī)范場理論半個多世紀(jì)的發(fā)展，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)各種規(guī)范場方程求解的計算復(fù)雜度非常高，對超級計算機的數(shù)值計算能力形成了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。

在國際上，諸多知名研究機構(gòu)都嘗試用超冷原子、囚禁離子等體系對規(guī)范場模型的基本單元進行了初步的量子模擬研究。但這些實驗要么體系太小，不具備局域規(guī)范不變性，要么無法同時產(chǎn)生規(guī)范場和物質(zhì)場，更不能研究這兩種場之間的相互作用和轉(zhuǎn)化。因此，此前的研究都無法觀測規(guī)范場理論最基本的特性——局域規(guī)范不變性。

為此，中國科大的研究團隊開發(fā)了獨特的自旋依賴超晶格、顯微鏡吸收成像、粒子數(shù)分辨探測等量子調(diào)控和測量技術(shù)，在超冷原子量子模擬器中首先實現(xiàn)了對 Z2 規(guī)范對稱性的規(guī)范場模型單元哈密頓量的研究;又提出并實現(xiàn)了光晶格中原子的深度制冷，解決了量子模擬器溫度過高缺陷過多的問題，實驗制備了近百個原子級別的規(guī)模化量子模擬器。在此基礎(chǔ)上，該聯(lián)合研究團隊在 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(guī)范場與物質(zhì)場之間的相互作用和轉(zhuǎn)化、并由此觀測到了局域規(guī)范不變性，驗證了高斯定理，在使用規(guī)模化的量子模擬器求解復(fù)雜物理問題的道路上取得了突破性的進展。

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