▲來源：nature網站
我國量子計算和量子模擬研究再獲重要突破。中國科學技術大學潘建偉、苑震生等與德國海德堡大學、意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。
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。今天凌晨，國際著名學術期刊《自然》雜誌發表了該研究成果。
向規範場理論逼近
規範場理論是現代物理學的根基。大名鼎鼎的標準模型，是迄今為止統一描述強、弱、電磁三種相互作用的最成功的理論，而它就是一種滿足特定群對稱性的規範場理論。
▲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)
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提出了巨大挑戰。於是，科學家開始嘗試開發專用量子計算機——量子模擬器。
用量子模擬器來構建晶格規範場模型，科學家就可以在實驗中通過對模擬器的各種參數的精準調控，製備目標量子物態，並觀測所模擬的量子物態的性質，獲得待研究規範場模型的各種物理性質。
論文主要作者、中國科學技術大學微尺度物質科學國家研究中心教授苑震生解釋，就好比人們想要造一座橋，需要事先研究它的力學性質。工程師可以根據其材料、幾何形狀，用相應的材料建一個類似的模型，然後通過測量模型的力學性質，去推知待建橋樑的性質。
完美驗證高斯定理
然而，要給規範場建模型，太困難了。
國際上，很多著名物理學團隊使用超冷原子、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，但這些實驗總存在一些不足。
一種不足是體系太小，僅有2個到4個粒子，這樣就無法觀察到一群粒子在一起相互作用而表現出來的規律，也就無法驗證局域規範不變性——就好像只種一兩棵樹，是無法研究森林所形成的生態環境的。另一種不足是無法模擬規範場的真實狀態，即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。
為了解決這些問題，中科大潘建偉院士研究團隊通過多年努力，開發出了一系列獨特技術，既可同時產生規範場和物質場，又可對近百個原子級別的量子多體系統進行精確調控。
在以上研究的基礎上，該聯合研究團隊找到了施溫格模型中正負粒子、電場與Hubbard模型中原子在格點上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，並由此觀測到了局域規範不變性，驗證了高斯定理，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。
“其實，求解一維施溫格模型，經典計算機完全可以勝任。”苑震生說，希望這次可以驗證團隊建立的模型是正確的，將來可再拓展到更為複雜的層面上——對於經典計算機難以求解的二維施溫格模型，量子計算就可一展身手。
領跑世界量子模擬領域
《自然》雜誌審稿人對此項工作給予了高度評價，認為這項工作“同時模擬了物質場和規範場，是相關交叉學科研究的里程碑，它將受到多個學科領域的關注 ”。審稿人同時表示，該研究“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”。
以此為基礎，未來該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。
近年來，潘建偉研究團隊在利用超冷原子產生大規模量子糾纏態進行量子計算、構建拓撲量子計算系統、模擬凝聚態超流模型、模擬人工規範場、開展超冷化學研究等方面取得了一系列原創性科研成果，已在《自然》《科學》《自然-物理》《物理評論快報》等知名學術期刊上發表論文17篇，成為國際上超冷原子量子計算和量子模擬領域的領跑團隊之一。
作者：許琦敏
圖片：除註明外，均為中國科大提供責任編輯：任荃
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