量子計(jì)算和量子模擬研究獲重要突破： 中國科大在71個(gè)格點(diǎn)的超冷原子量子模擬器中成功求解施溫格方程

　　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（Trento）大學(xué)的合作者在超冷原子量子計(jì)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(jì)算機(jī)---71個(gè)格點(diǎn)的超冷原子光晶格量子模擬器，對(duì)量子電動(dòng)力學(xué)方程施溫格模型（Schwinger Model）進(jìn)行了成功模擬，通過操控束縛在其中的超冷原子，從實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到了局域規(guī)范不變量，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，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。北京時(shí)間11月19日，國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志發(fā)表了該研究成果。

圖：一維格點(diǎn)Schwinger模型描述正反粒子通過電場(chǎng)傳遞相互作用，而正負(fù)粒子湮滅后轉(zhuǎn)化成了電場(chǎng)激發(fā)。一維Hubbard模型描述光晶格中的冷原子隧穿和相互作用的過程，在特定的勢(shì)阱形狀下，一維Hubbard模型與Schwinger模型的群對(duì)稱性相同。

　　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。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。在該理論的發(fā)展過程中，楊振寧、米爾斯、溫伯格、費(fèi)曼等科學(xué)家都做出了重要的貢獻(xiàn)。伴隨著規(guī)范場(chǎng)理論半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)各種規(guī)范場(chǎng)方程求解的計(jì)算復(fù)雜度非常高，對(duì)超級(jí)計(jì)算機(jī)的數(shù)值計(jì)算能力形成了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。

　　于是，人們提出了開發(fā)專用量子計(jì)算機(jī)---量子模擬器---構(gòu)建晶格規(guī)范場(chǎng)模型，在實(shí)驗(yàn)中通過對(duì)模擬器的各種參數(shù)的精準(zhǔn)調(diào)控制備目標(biāo)量子物態(tài)，并用量子氣體顯微鏡成像等手段，觀測(cè)所模擬的量子物態(tài)的相變、量子關(guān)聯(lián)等性質(zhì)，獲得待研究規(guī)范場(chǎng)模型的各種物理性質(zhì)。在國際上，馬普量子光學(xué)所、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院、哈佛大學(xué)、中國科大、因斯布魯克大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究人員用超冷原子、囚禁離子等體系對(duì)規(guī)范場(chǎng)模型的基本單元進(jìn)行了初步的量子模擬研究。但是，這些實(shí)驗(yàn)中要么是體系太?。▋H有2個(gè)到4個(gè)粒子）不具備局域規(guī)范不變性；要么無法同時(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，此前的研究中都無法觀測(cè)規(guī)范場(chǎng)理論最基本的特性——局域規(guī)范不變性。

　　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。（制圖：石千惠、梁琰）

　　為了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(chǎng)、物質(zhì)場(chǎng)的兩個(gè)主要問題，中國科大的研究團(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(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[Nature Physics 13, 1195 (2017)]；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高缺陷過多的問題，實(shí)驗(yàn)制備了近百個(gè)原子級(jí)別的規(guī)?；孔幽M器[Science 369, 550 (2020)]；在以上研究的基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)合，該聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)找到了Schwinger模型中正負(fù)粒子、電場(chǎng)與Hubbard模型中原子在格點(diǎn)上的各種占據(jù)構(gòu)型之間的映射關(guān)系，通過實(shí)驗(yàn)上的精確調(diào)控，在71個(gè)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Schwinger模型，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、并由此觀測(cè)到了局域規(guī)范不變性（驗(yàn)證了高斯定理）,在使用規(guī)?；牧孔幽M器求解復(fù)雜物理問題的道路上取得了突破性的進(jìn)展。

　　《自然》雜志的審稿人對(duì)此工作給予了高度評(píng)價(jià)（評(píng)審意見https://www.nature.com/articles/s41586-020-2910-8中的peer review file）：認(rèn)為這項(xiàng)工作“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……該工作同時(shí)模擬了物質(zhì)場(chǎng)和規(guī)范場(chǎng)，是相關(guān)交叉學(xué)科研究的里程碑。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?！?/p>

　　在上述相關(guān)工作的基礎(chǔ)上，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)過程等重要物理難題。

　　近年來，潘建偉研究團(tuán)隊(duì)在利用超冷原子產(chǎn)生大規(guī)模量子糾纏態(tài)進(jìn)行量子計(jì)算、構(gòu)建拓?fù)淞孔佑?jì)算系統(tǒng)、模擬凝聚態(tài)超流模型、模擬人工規(guī)范場(chǎng)、開展超冷化學(xué)研究等方面取得了一系列原創(chuàng)性的科研成果，已在Nature(1)、Science(3)、Nature Physics(5)、和PRL(8)等科學(xué)期刊上發(fā)表論文17篇，成為國際上超冷原子量子計(jì)算和量子模擬領(lǐng)域的領(lǐng)跑團(tuán)隊(duì)之一。

　　該研究工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中科院、教育部和安徽省等的支持。

　　論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2910-8

　　Observation of gauge invariance in a 71-site Bose–Hubbard quantum simulator

　　Bing Yang, Hui Sun, Robert Ott, Han-Yi Wang, Torsten V. Zache, Jad C. Halimeh, Zhen-Sheng Yuan, Philipp Hauke, & Jian-Wei Pan, Nature, https:// doi.org/10.1038/s41586-020-2910-8

　　轉(zhuǎn)自：中國科大新聞網(wǎng)

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