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    光明日报 2020年11月20日 星期五

    量子计算和量子模拟研究获重要突破

    中国科大在71个格点的超冷原子量子模拟器中成功求解施温格方程

    作者:本报记者 齐芳 常河 《光明日报》( 2020年11月20日 01版)

        规范场理论描述基本粒子之间的相互作用、产生和湮灭过程,这一过程可以用晶格中超冷原子之间的相互作用及其在晶格中的排布模式来模拟。石千惠、梁琰制图/光明图片

        本报北京11月19日电 记者齐芳、常河从中国科学院获悉,中国科学技术大学潘建伟、苑震生等与德国海德堡大学、意大利特伦托大学的合作者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模拟,通过操控束缚在其中的超冷原子,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,取得了利用规模化量子计算和量子模拟方法求解复杂物理问题的重要突破。北京时间11月19日出版的国际学术期刊《自然》发表了该研究成果。

        据介绍,规范场理论是现代物理学的根基,如描述基本粒子相互作用的量子电动力学、标准模型等都是满足特定群对称性的规范场理论。迄今为止,标准模型成为统一描述强、弱、电磁三种相互作用的最成功的理论。半个多世纪以来,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峻挑战。于是,人们提出了开发专用量子计算机——量子模拟器,也就是构建晶格规范场模型,在实验中通过对模拟器的各种参数的精准调控制备目标量子物态,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,诸多知名研究机构都尝试用超冷原子、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,但在实验中遇到一系列难题。

        为此,中国科大的研究团队开发了独特的自旋依赖超晶格、显微镜吸收成像、粒子数分辨探测等量子调控和测量技术,在超冷原子量子模拟器中首先实现了对Z2规范对称性的规范场模型单元哈密顿量的研究;又提出并实现了光晶格中原子的深度制冷,解决了量子模拟器温度过高缺陷过多的问题,实验制备了近百个原子级别的规模化量子模拟器。在此基础上,该联合研究团队在71个格点的超冷原子量子模拟器上模拟了一维格点体系的施温格模型,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,验证了高斯定理,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的进展。

        《自然》杂志的审稿人对此工作给予了高度评价,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”。

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