中外科學(xué)家開發(fā)超冷原子光晶格量子模擬器 成功求解施溫格方程

近期，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、苑震生等人與德國、意大利科學(xué)家合作，開發(fā)出一種專用型量子計(jì)算機(jī)——71個格點(diǎn)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(jìn)行了成功模擬，取得了利用規(guī)?；孔佑?jì)算和量子模擬方法求解復(fù)雜物理問題的重要突破。11月19日，國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志發(fā)表了該成果。

規(guī)范場理論是現(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力學(xué)、標(biāo)準(zhǔn)模型等都是滿足特定群對稱性的規(guī)范場理論。迄今為止，標(biāo)準(zhǔn)模型成為統(tǒng)一描述強(qiáng)、弱、電磁三種相互作用的最成功的理論，楊振寧、米爾斯、溫伯格、費(fèi)曼等科學(xué)家為此作出重要貢獻(xiàn)。但是，求解各種規(guī)范場方程的計(jì)算復(fù)雜度非常高，對超級計(jì)算機(jī)的數(shù)值計(jì)算能力形成重大挑戰(zhàn)。

近年來，國際科學(xué)界試圖開發(fā)“量子模擬器”這種專用型量子計(jì)算機(jī)，制備目標(biāo)量子物態(tài)，獲得規(guī)范場模型的各種物理性質(zhì)。多個知名國際科研機(jī)構(gòu)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(jìn)行了初步的量子模擬研究，但在實(shí)驗(yàn)中遇到一系列難題。

近期，中科大研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了獨(dú)特的自旋依賴超晶格、顯微鏡吸收成像、粒子數(shù)分辨探測等量子調(diào)控和測量技術(shù)，解決以往的量子模擬器中相干調(diào)控的粒子數(shù)太少和無法同時(shí)產(chǎn)生規(guī)范場、物質(zhì)場的兩個主要問題。

通過實(shí)驗(yàn)上的精確調(diào)控，他們在71個格點(diǎn)的超冷原子量子模擬器上模擬了一維格點(diǎn)體系的施溫格方程模型，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(yàn)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進(jìn)展。

《自然》雜志審稿人對此給予高度評價(jià)，認(rèn)為這是“量子模擬方法研究晶格規(guī)范場的一個重要里程碑”，取得的成果將對量子信息、原子分子光學(xué)、固態(tài)物理等科研領(lǐng)域產(chǎn)生積極影響。(記者徐海濤、董瑞豐)