11 月 20 日消息 我國在超冷原子量子計算和模擬研究中再獲突破。

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溫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范不變量。

這是物理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，實現了 “利用規模化量子計算和量子模擬方法求解復雜物理問題”的重要突破。

11 月 19 日凌晨，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 “是量子模擬方法研究晶格規范場的一個重要的里程碑”，“邁出了模擬晶格規范場理論的真正一步：從實現量子模擬器的模塊到對特定模型的完全模擬”。

據介紹，規范場理論是現代物理學的根基，主要用來描述基本粒子之間的相互作用、產生和湮滅過程。伴隨著規范場理論半個多世紀的發展，科學家們發現各種規范場方程求解的計算復雜度非常高，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范場模型的基本單元進行了初步的量子模擬研究。但這些實驗要么體系太小，不具備局域規范不變性，要么無法同時產生規范場和物質場，更不能研究這兩種場之間的相互作用和轉化。因此，此前的研究都無法觀測規范場理論最基本的特性——局域規范不變性。

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，在超冷原子量子模擬器中首先實現了對 Z2 規范對稱性的規范場模型單元哈密頓量的研究;又提出并實現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，實驗制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溫格模型，首次模擬了規范場與物質場之間的相互作用和轉化、并由此觀測到了局域規范不變性，驗證了高斯定理，在使用規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的進展。

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