量子模擬器求解復雜物理問(wèn)題獲得突破性進(jìn)展！
來(lái)自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等國內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(kāi)發(fā)了一種專(zhuān)用的量子計算機——71個(gè)格點(diǎn)的超冷原子光晶格量子模擬器，對量子電動(dòng)力學(xué)方程施溫格模型進(jìn)行了成功求解，通過(guò)操控束縛在其中的超冷原子，首次模擬了規范場(chǎng)與物質(zhì)場(chǎng)之間的相互作用和轉化，并由此觀(guān)測到了局域規范不變性。相關(guān)研究成果11月19日在線(xiàn)發(fā)表于《自然》雜志上。
規范場(chǎng)理論是現代物理學(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(zhù)規范場(chǎng)理論半個(gè)多世紀的發(fā)展，科學(xué)家們發(fā)現各種規范場(chǎng)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。
于是，人們提出了開(kāi)發(fā)一種被稱(chēng)為量子模擬器的專(zhuān)用量子計算機，來(lái)構建晶格規范場(chǎng)模型，在實(shí)驗中通過(guò)對模擬器各種參數的精準調控來(lái)制備目標量子物態(tài)，并用量子氣體顯微鏡成像等手段，觀(guān)測所模擬的量子物態(tài)的相變、量子關(guān)聯(lián)等性質(zhì)，獲得待研究規范場(chǎng)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范場(chǎng)模型的基本單元進(jìn)行了初步的量子模擬研究。但是，這些實(shí)驗要么體系太小，不具備局域規范不變性，要么無(wú)法同時(shí)產(chǎn)生規范場(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化。”中國科技大學(xué)常務(wù)副校長(cháng)、中國科學(xué)院院士潘建偉說(shuō)，因此，此前的研究都無(wú)法觀(guān)測規范場(chǎng)理論最基本的特性——局域規范不變性。
為此，研究人員開(kāi)發(fā)了71個(gè)格點(diǎn)的超冷原子量子模擬器，模擬一維格點(diǎn)體系的施溫格模型，從實(shí)驗上觀(guān)測到了局域規范不變量，首次使用微觀(guān)量子調控手段在量子多體系統中驗證了描述電荷與電場(chǎng)關(guān)系的高斯定理，在使用規?；牧孔幽M器求解復雜物理問(wèn)題的道路上取得了突破性進(jìn)展。
《自然》雜志審稿人對該工作給予了高度評價(jià)。他們認為這項工作“是量子模擬方法研究晶格規范場(chǎng)的一個(gè)重要的里程碑”，“邁出了模擬晶格規范場(chǎng)理論的真正一步：從實(shí)現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(xué)教授苑震生表示，未來(lái)研究團隊將進(jìn)一步使用量子模擬的方法研究具有其他群對稱(chēng)性的、更高空間維度的規范場(chǎng)模型，并可推廣到遠離平衡態(tài)的規范場(chǎng)系統，研究真空衰變、與拓撲角度相關(guān)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程等重要物理難題。
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