一种专用的量子计算机——71个格点的超冷原子光晶格量子模拟器

来自中国科学技术大学等国内外单位的研究人员在超冷原子量子计算和模拟研究中取得重要突破，他们开发了一种专用的量子计算机——71个格点的超冷原子光晶格量子模拟器，对量子电动力学方程施温格模型进行了成功求解，通过操控束缚在其中的超冷原子，首次模拟了规范场与物质场之间的相互作用和转化，并由此观测到了局域规范不变性。相关研究成果11月19日在线发表于《自然》杂志上。

规范场理论是现代物理学的根基，主要用来描述基本粒子之间的相互作用、产生和湮灭过程。伴随着规范场理论半个多世纪的发展，科学家们发现各种规范场方程求解的计算复杂度非常高，对超级计算机的数值计算能力形成了严重的挑战。

于是，人们提出了开发一种被称为量子模拟器的专用量子计算机，来构建晶格规范场模型，在实验中通过对模拟器各种参数的精准调控来制备目标量子物态，并用量子气体显微镜成像等手段，观测所模拟的量子物态的相变、量子关联等性质，获得待研究规范场模型的各种物理性质。

“在国际上，有不少研究人员用超冷原子、囚禁离子等体系对规范场模型的基本单元进行了初步的量子模拟研究。但是，这些实验要么体系太小，不具备局域规范不变性，要么无法同时产生规范场和物质场，更不能研究这两种场之间的相互作用和转化。”中国科技大学常务副校长、中国科学院院士潘建伟说，因此，此前的研究都无法观测规范场理论最基本的特性——局域规范不变性。

为此，研究人员开发了71个格点的超冷原子量子模拟器，模拟一维格点体系的施温格模型，从实验上观测到了局域规范不变量，首次使用微观量子调控手段在量子多体系统中验证了描述电荷与电场关系的高斯定理，在使用规模化的量子模拟器求解复杂物理问题的道路上取得了突破性进展。

《自然》杂志审稿人对该工作给予了高度评价。他们认为这项工作“是量子模拟方法研究晶格规范场的一个重要的里程碑”，“迈出了模拟晶格规范场理论的真正一步：从实现量子模拟器的模块到对特定模型的完全模拟”。

中国科技大学教授苑震生表示，未来研究团队将进一步使用量子模拟的方法研究具有其他群对称性的、更高空间维度的规范场模型，并可推广到远离平衡态的规范场系统，研究真空衰变、与拓扑角度相关的动力学过程等重要物理难题。

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