據(jù)來(lái)自中國(guó)科學(xué)院的消息，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、苑震生等與德國(guó)海德堡大學(xué)、意大利特倫托大學(xué)的合作者在超冷原子量子計(jì)算和模擬研究中取得重要突破。
他們開(kāi)發(fā)了一種專(zhuān)用的量子計(jì)算機(jī)——71 個(gè)格點(diǎn)的超冷原子光晶格量子模擬器，對(duì)量子電動(dòng)力學(xué)方程施溫格模型進(jìn)行了成功模擬，通過(guò)操控束縛在其中的超冷原子，從實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到了局域規(guī)范不變量。
這是物理學(xué)家首次使用微觀量子調(diào)控手段，在量子多體系統(tǒng)中驗(yàn)證了描述電荷與電場(chǎng)關(guān)系的高斯定理，實(shí)現(xiàn)了 “利用規(guī)模化量子計(jì)算和量子模擬方法求解復(fù)雜物理問(wèn)題”的重要突破。
11 月 19 日凌晨，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志發(fā)表了該研究成果。《自然》雜志審稿人認(rèn)為，這項(xiàng)工作 “是量子模擬方法研究晶格規(guī)范場(chǎng)的一個(gè)重要的里程碑”，“邁出了模擬晶格規(guī)范場(chǎng)理論的真正一步：從實(shí)現(xiàn)量子模擬器的模塊到對(duì)特定模型的完全模擬”。
據(jù)介紹，規(guī)范場(chǎng)理論是現(xiàn)代物理學(xué)的根基，主要用來(lái)描述基本粒子之間的相互作用、產(chǎn)生和湮滅過(guò)程。伴隨著規(guī)范場(chǎng)理論半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)各種規(guī)范場(chǎng)方程求解的計(jì)算復(fù)雜度非常高，對(duì)超級(jí)計(jì)算機(jī)的數(shù)值計(jì)算能力形成了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。
在國(guó)際上，諸多知名研究機(jī)構(gòu)都嘗試用超冷原子、囚禁離子等體系對(duì)規(guī)范場(chǎng)模型的基本單元進(jìn)行了初步的量子模擬研究。但這些實(shí)驗(yàn)要么體系太小，不具備局域規(guī)范不變性，要么無(wú)法同時(shí)產(chǎn)生規(guī)范場(chǎng)和物質(zhì)場(chǎng)，更不能研究這兩種場(chǎng)之間的相互作用和轉(zhuǎn)化。因此，此前的研究都無(wú)法觀測(cè)規(guī)范場(chǎng)理論最基本的特性——局域規(guī)范不變性。
為此，中國(guó)科大的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了獨(dú)特的自旋依賴(lài)超晶格、顯微鏡吸收成像、粒子數(shù)分辨探測(cè)等量子調(diào)控和測(cè)量技術(shù)，在超冷原子量子模擬器中首先實(shí)現(xiàn)了對(duì) Z2 規(guī)范對(duì)稱(chēng)性的規(guī)范場(chǎng)模型單元哈密頓量的研究；又提出并實(shí)現(xiàn)了光晶格中原子的深度制冷，解決了量子模擬器溫度過(guò)高缺陷過(guò)多的問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)制備了近百個(gè)原子級(jí)別的規(guī)模化量子模擬器。在此基礎(chǔ)上，該聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在 71 個(gè)格點(diǎn)的超冷原子量子模擬器上模擬了一維格點(diǎn)體系的施溫格模型，首次模擬了規(guī)范場(chǎng)與物質(zhì)場(chǎng)之間的相互作用和轉(zhuǎn)化、并由此觀測(cè)到了局域規(guī)范不變性，驗(yàn)證了高斯定理，在使用規(guī)模化的量子模擬器求解復(fù)雜物理問(wèn)題的道路上取得了突破性的進(jìn)展。
