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示意圖：規(guī)范場(chǎng)理論描述基本粒子之間的相互作用、產(chǎn)生和湮滅過(guò)程可以用晶格中超冷原子之間的相互作用及其排布模式來(lái)模擬。(制圖：石千惠、梁琰)

北京時(shí)間11月19日，《自然》雜志發(fā)表了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉、苑震生等最新研究進(jìn)展，在71個(gè)格點(diǎn)的超冷原子量子模擬器中求解施溫格方程。這一成果成功利用規(guī)模化量子計(jì)算和量子模擬方法求解了復(fù)雜物理問(wèn)題。

據(jù)悉，研究團(tuán)隊(duì)同德國(guó)、意大利科學(xué)家合作，開(kāi)發(fā)了專用的量子計(jì)算機(jī)——71個(gè)格點(diǎn)的超冷原子光晶格量子模擬器，通過(guò)精確調(diào)控成功模擬量子電動(dòng)力學(xué)方程施溫格模型，通過(guò)操控束縛在其中的超冷原子，首次模擬了規(guī)范場(chǎng)與物質(zhì)場(chǎng)之間的相互作用和轉(zhuǎn)化，觀測(cè)到了局域規(guī)范不變量，并首次使用微觀量子調(diào)控手段在量子多體系統(tǒng)中驗(yàn)證了描述電荷與電場(chǎng)關(guān)系的高斯定理。

《自然》雜志審稿人高度評(píng)價(jià)稱：“這是量子模擬方法研究晶格規(guī)范場(chǎng)的一個(gè)重要的里程碑。它將受到多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的關(guān)注，從基本粒子、晶格規(guī)范場(chǎng)、和量子信息方面的理論學(xué)家，到原子分子光學(xué)、固態(tài)物理領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家.”；“邁出了模擬晶格規(guī)范場(chǎng)理論的真正一步：從實(shí)現(xiàn)量子模擬器的模塊到對(duì)特定模型的完全模擬”。

規(guī)范場(chǎng)理論是現(xiàn)代物理學(xué)的根基，如描述基本粒子相互作用的量子電動(dòng)力學(xué)、標(biāo)準(zhǔn)模型等都是滿足特定群對(duì)稱性的規(guī)范場(chǎng)理論。但是，各種規(guī)范場(chǎng)方程求解的計(jì)算復(fù)雜度之高，對(duì)超級(jí)計(jì)算機(jī)提出挑戰(zhàn)，量子計(jì)算機(jī)被寄予厚望。于是，專用量子計(jì)算機(jī)——量子模擬器應(yīng)運(yùn)而生。但是，在目前國(guó)際上對(duì)規(guī)范場(chǎng)模型的初步量子模擬研究中，要么是體系太小，僅有2~4個(gè)粒子，不具備局域規(guī)范不變性；要么無(wú)法同時(shí)產(chǎn)生規(guī)范場(chǎng)和物質(zhì)場(chǎng)，更不能研究這兩種場(chǎng)之間的相互作用和轉(zhuǎn)化。因此，此前的研究都無(wú)法觀測(cè)規(guī)范場(chǎng)理論最基本的特性——局域規(guī)范不變性。

為了解決這一問(wèn)題，中國(guó)科大的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了獨(dú)特的自旋依賴超晶格、顯微鏡吸收成像、粒子數(shù)分辨探測(cè)等量子調(diào)控和測(cè)量技術(shù)，在超冷原子量子模擬器中首先實(shí)現(xiàn)了對(duì)Z2規(guī)范對(duì)稱性的規(guī)范場(chǎng)模型單元哈密頓量的研究，相關(guān)成果2017年發(fā)表于《自然-物理》。今年6月，他們又提出并實(shí)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(guò)高缺陷過(guò)多的問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)制備了近百個(gè)原子級(jí)別的規(guī)模化量子模擬器，成果發(fā)表于《科學(xué)》雜志。此次最新進(jìn)展在使用規(guī)模化量子模擬器求解復(fù)雜物理問(wèn)題的道路上取得了突破性進(jìn)展。

未來(lái)，該團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步使用量子模擬的方法研究具有其他群對(duì)稱性的、更高空間維度的規(guī)范場(chǎng)模型，并可推廣到遠(yuǎn)離平衡態(tài)的規(guī)范場(chǎng)系統(tǒng)，研究真空衰變、與拓?fù)浣嵌认嚓P(guān)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程等重要物理難題。

此項(xiàng)研究工作得到科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院、教育部和安徽省等的支持。

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