11 月 20 日消息 我國在超冷原子量子計算和模拟研究中再獲突破。
據來自中國科學院的消息，中國科學技術大學潘建偉、苑震生等與德國海德堡大學、意大利特倫托大學的合作者在超冷原子量子計算和模拟研究中取得重要突破。
他們開發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拟器，對量子電動力學方程施溫格模型進行了成功模拟，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。
這是實體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系的高斯定理，實作了 “利用規模化量子計算和量子模拟方法求解複雜實體問題”的重要突破。
11 月 19 日淩晨，國際學術期刊《自然》雜志發表了該研究成果。《自然》雜志審稿人認為，這項工作 “是量子模拟方法研究晶格規範場的一個重要的裡程碑”，“邁出了模拟晶格規範場理論的真正一步：從實作量子模拟器的子產品到對特定模型的完全模拟”。
據介紹，規範場理論是現代實體學的根基，主要用來描述基本粒子之間的互相作用、産生和湮滅過程。伴随着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形成了嚴重的挑戰。
在國際上，諸多知名研究機構都嘗試用超冷原子、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拟研究。但這些實驗要麼體系太小，不具備局域規範不變性，要麼無法同時産生規範場和物質場，更不能研究這兩種場之間的互相作用和轉化。是以，此前的研究都無法觀測規範場理論最基本的特性——局域規範不變性。
為此，中國科大的研究團隊開發了獨特的自旋依賴超晶格、顯微鏡吸收成像、粒子數分辨探測等量子調控和測量技術，在超冷原子量子模拟器中首先實作了對 Z2 規範對稱性的規範場模型單元哈密頓量的研究；又提出并實作了光晶格中原子的深度制冷，解決了量子模拟器溫度過高缺陷過多的問題，實驗制備了近百個原子級别的規模化量子模拟器。在此基礎上，該聯合研究團隊在 71 個格點的超冷原子量子模拟器上模拟了一維格點體系的施溫格模型，首次模拟了規範場與物質場之間的互相作用和轉化、并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拟器求解複雜實體問題的道路上取得了突破性的進展。
原文連結：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2910-8