中科大联合团队用超冷原子量子模拟器成功求解施温格方程

本报讯（记者 陈婉婉）记者11月19日从中国科学技术大学获悉，该校教授潘建伟、苑震生等与德国海德堡大学、意大利特伦托大学合作者利用一种专用量子计算机，即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。11月19日，该成果发表在国际著名学术期刊《自然》上。

规范场理论是现代物理学的根基。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严重挑战。于是，人们提出开发专用量子计算机，即用量子模拟器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。

此前，多国科学家利用超冷原子、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。但这些实验均无法观测规范场理论最基本的特性——局域规范不变性，因为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。

为了解决这些难题，中科大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，通过实验和理论结合，该联合研究团队找到了施温格模型中正负粒子、电场与哈伯德模型中原子在格点上的各种占据构型之间的映射关系，通过实验上的精确调控，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，并由此观测到局域规范不变性，验证了高斯定理。

《自然》审稿人认为，该工作同时模拟了物质场和规范场，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。

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