用71個點陣的量子模擬器成功地求解量子電動力學(xué)方程
來自中國科技大學(xué)等國內(nèi)外單位的研究人員在過冷原子的量子計算和模擬方面取得了重大突破。他們開發(fā)了一臺特殊的量子計算機--71格點過冷原子量子模擬器。量子電動力學(xué)方程的施萬模型已被成功地求解。通過控制束縛在其中的過冷原子，施萬模型成功地得到了解決。首次模擬了規(guī)范場與物質(zhì)場之間的相互作用和轉(zhuǎn)換，并觀察到了局域規(guī)范不變性。這些研究結(jié)果已于11月19日在"自然"雜志上在線發(fā)表。
規(guī)范場理論是現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)，它主要用來描述基本粒子之間的相互作用、產(chǎn)生和湮滅過程。隨著規(guī)范場理論的發(fā)展，半個多世紀(jì)以來，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)求解各種規(guī)范場方程的計算復(fù)雜性很高，這對超級計算機的數(shù)值計算能力提出了嚴重的挑戰(zhàn)。
為此，提出了一種特殊的量子計算機--量子模擬器來構(gòu)造晶格規(guī)范場模型.實驗中，通過精確調(diào)整模擬器的各種參數(shù)，制備了目標(biāo)量子物體態(tài)，利用量子氣體顯微鏡成像技術(shù)觀察了模擬量子物體態(tài)的相變和量子相關(guān)特性，得到了擬研究的規(guī)范場模型的各種物理性質(zhì).
在世界上，許多研究人員已經(jīng)對利用過冷原子、俘獲離子等系統(tǒng)的規(guī)范場模型的基本元素進行了初步的量子模擬研究。然而，這些實驗要么太小，不能具有局部規(guī)范不變性，要么不能同時產(chǎn)生規(guī)范場和物質(zhì)場，更不用說研究這兩個場之間的相互作用和相互轉(zhuǎn)化。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長、中國科學(xué)院院士潘建偉說，以往的研究都未能觀察到規(guī)范場理論最基本的特征，即局部規(guī)范不變性。
為此，研究人員研制了71個晶格過冷原子量子模擬器，模擬了一維晶格系統(tǒng)的Schwann模型，觀察了實驗中的局域規(guī)范不變量，首次驗證了描述量子多體系統(tǒng)電荷與電場關(guān)系的Gauss定理，并在使用大型量子模擬器解決復(fù)雜物理問題方面取得了突破。
自然"雜志的評論員高度評價了這一工作。他們認為，這項工作是"用量子模擬方法研究格點規(guī)范場的一個重要里程碑"，并"在模擬格點規(guī)范場理論方面邁出了真正的一步：從實現(xiàn)量子模擬器模塊到完全模擬特定模型"。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授袁振生說，未來的研究團隊將進一步使用量子模擬方法來研究具有其他群對稱性和較高空間維的規(guī)范場模型，并可擴展到遠離平衡的規(guī)范場系統(tǒng)、研究真空衰變、與拓撲角相關(guān)的動態(tài)過程以及其他重要的物理問題。
