71個格點的量子模擬器 成功求解量子電動力學方程
本報記者 陸成寬
量子模擬器求解復雜物理問題獲得突破性進展！
來自中國科學技術(shù)大學等國內(nèi)外單位的研究人員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(fā)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溫格模型進行了成功求解，通過操控束縛在其中的超冷原子，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。相關研究成果11月19日在線發(fā)表于《自然》雜志上。
規(guī)范場理論是現(xiàn)代物理學的根基，主要用來描述基本粒子之間的相互作用、產(chǎn)生和湮滅過程。伴隨著規(guī)范場理論半個多世紀的發(fā)展，科學家們發(fā)現(xiàn)各種規(guī)范場方程求解的計算復雜度非常高，對超級計算機的數(shù)值計算能力形成了嚴重的挑戰(zhàn)。
于是，人們提出了開發(fā)一種被稱為量子模擬器的專用量子計算機，來構(gòu)建晶格規(guī)范場模型，在實驗中通過對模擬器各種參數(shù)的精準調(diào)控來制備目標量子物態(tài)，并用量子氣體顯微鏡成像等手段，觀測所模擬的量子物態(tài)的相變、量子關聯(lián)等性質(zhì)，獲得待研究規(guī)范場模型的各種物理性質(zhì)。
“在國際上，有不少研究人員用超冷原子、囚禁離子等體系對規(guī)范場模型的基本單元進行了初步的量子模擬研究。但是，這些實驗要么體系太小，不具備局域規(guī)范不變性，要么無法同時產(chǎn)生規(guī)范場和物質(zhì)場，更不能研究這兩種場之間的相互作用和轉(zhuǎn)化。”中國科技大學常務副校長、中國科學院院士潘建偉說，因此，此前的研究都無法觀測規(guī)范場理論最基本的特性——局域規(guī)范不變性。
為此，研究人員開發(fā)了71個格點的超冷原子量子模擬器，模擬一維格點體系的施溫格模型，從實驗上觀測到了局域規(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)中驗證了描述電荷與電場關系的高斯定理，在使用規(guī)模化的量子模擬器求解復雜物理問題的道路上取得了突破性進展。
《自然》雜志審稿人對該工作給予了高度評價。他們認為這項工作“是量子模擬方法研究晶格規(guī)范場的一個重要的里程碑”，“邁出了模擬晶格規(guī)范場理論的真正一步：從實現(xiàn)量子模擬器的模塊到對特定模型的完全模擬”。
中國科技大學教授苑震生表示，未來研究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(guī)范場模型，并可推廣到遠離平衡態(tài)的規(guī)范場系統(tǒng)，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。