量子計算和量子模擬研究獲重要突破
中國科大在71個格點的超冷原子量子模擬器中成功求解施温格方程
光明日報北京11月19日電 記者齊芳、常河從中國科學院獲悉，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在超冷原子量子計算和模擬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擬器，對量子電動力學方程施温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，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，取得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。北京時間11月19日出版的國際學術期刊《自然》發表了該研究成果。
據介紹，規範場理論是現代物理學的根基，如描述基本粒子相互作用的量子電動力學、標準模型等都是滿足特定羣對稱性的規範場理論。迄今為止，標準模型成為統一描述強、弱、電磁三種相互作用的最成功的理論。半個多世紀以來，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峻挑戰。於是，人們提出了開發專用量子計算機——量子模擬器，也就是構建晶格規範場模型，在實驗中通過對模擬器的各種參數的精準調控制備目標量子物態，並用量子氣體顯微鏡成像等手段，觀測所模擬的量子物態的相變、量子關聯等性質，獲得待研究規範場模型的各種物理性質。
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。石千惠、梁琰製圖/光明圖片
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擬研究，但在實驗中遇到一系列難題。
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，在超冷原子量子模擬器中首先實現了對Z2規範對稱性的規範場模型單元哈密頓量的研究；又提出並實現了光晶格中原子的深度製冷，解決了量子模擬器温度過高缺陷過多的問題，實驗製備了近百個原子級別的規模化量子模擬器。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擬器上模擬了一維格點體系的施温格模型，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的進展。
《自然》雜誌的審稿人對此工作給予了高度評價，認為這項工作是“量子模擬方法研究晶格規範場的一個重要的里程碑”。
《光明日報》（ 2020年11月20日 01版）
來源:光明網-《光明日報》