量子計算和量子模擬研究獲重要突破：中國科大在71個格點的超冷原子量子模擬器中成功求解施溫格方程
本文來源：中國科學技術大學新聞網
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中國科學技術大學潘建偉、苑震生等與德國海德堡大學、意大利特倫托（Trento）大學的合作者在超冷原子量子計算和模擬研究中取得重要突破：他們開發了一種專用的量子計算機---71個格點的超冷原子光晶格量子模擬器，對量子電動力學方程施溫格模型（Schwinger Model）進行了成功模擬，通過操控束縛在其中的超冷原子，從實驗上觀測到了局域規范不變量，首次使用微觀量子調控手段在量子多體系統中驗證了描述電荷與電場關系的高斯定理，取得了利用規模化量子計算和量子模擬方法求解復雜物理問題的重要突破。北京時間11月19日，國際著名學術期刊《自然》雜志發表了該研究成果。
圖：一維格點Schwinger模型描述正反粒子通過電場傳遞相互作用，而正負粒子湮滅后轉化成了電場激發。一維Hubbard模型描述光晶格中的冷原子隧穿和相互作用的過程，在特定的勢阱形狀下，一維Hubbard模型與Schwinger模型的群對稱性相同。
規范場理論是現代物理學的根基，如描述基本粒子相互作用的量子電動力學、標準模型等都是滿足特定群對稱性的規范場理論。迄今為止，標準模型成為統一描述強、弱、電磁三種相互作用的最成功的理論。在該理論的發展過程中，楊振寧、米爾斯、溫伯格、費曼等科學家都做出了重要的貢獻。伴隨著規范場理論半個多世紀的發展，科學家們發現各種規范場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。
示意圖：規范場理論描述基本粒子之間的相互作用、產生和湮滅過程，這一過程可以用晶格中超冷原子之間的相互作用及其在晶格中的排布模式來模擬。(制圖：石千惠、梁琰)
于是，人們提出了開發專用量子計算機---量子模擬器---構建晶格規范場模型，在實驗中通過對模擬器的各種參數的精準調控制備目標量子物態，并用量子氣體顯微鏡成像等手段，觀測所模擬的量子物態的相變、量子關聯等性質，獲得待研究規范場模型的各種物理性質。在國際上，馬普量子光學所、蘇黎世聯邦理工學院、哈佛大學、中國科大、因斯布魯克大學等機構的研究人員用超冷原子、囚禁離子等體系對規范場模型的基本單元進行了初步的量子模擬研究。但是，這些實驗中要么是體系太小（僅有2個到4個粒子）不具備局域規范不變性；要么無法同時產生規范場和物質場，更不能研究這兩種場之間的相互作用和轉化。因此，此前的研究中都無法觀測規范場理論最基本的特性——局域規范不變性。
為了解決以往的量子模擬器中相干調控的粒子數太少和無法同時產生規范場、物質場的兩個主要問題，中國科大的研究團隊開發了獨特的自旋依賴超晶格、顯微鏡吸收成像、粒子數分辨探測等量子調控和測量技術，在超冷原子量子模擬器中首先實現了對Z2規范對稱性的規范場模型單元哈密頓量的研究[Nature Physics 13, 1195 (2017)]；又提出并實現了光晶格中原子的深度制冷，解決了量子模擬器溫度過高缺陷過多的問題，實驗制備了近百個原子級別的規模化量子模擬器[Science 369, 550 (2020)]；在以上研究的基礎上，通過實驗和理論結合，該聯合研究團隊找到了Schwinger模型中正負粒子、電場與Hubbard模型中原子在格點上的各種占據構型之間的映射關系，通過實驗上的精確調控，在71個格點的超冷原子量子模擬器上模擬了一維格點體系的Schwinger模型，首次模擬了規范場與物質場之間的相互作用和轉化、并由此觀測到了局域規范不變性（驗證了高斯定理）,在使用規模化的量子模擬器求解復雜物理問題的道路上取得了突破性的進展。
《自然》雜志的審稿人對此工作給予了高度評價（評審意見https://www.nature.com/articles/s41586-020-2910-8中的peer review file）：認為這項工作“是量子模擬方法研究晶格規范場的一個重要的里程碑……該工作同時模擬了物質場和規范場，是相關交叉學科研究的里程碑。它將受到多個學科領域的關注，從基本粒子、晶格規范場、和量子信息方面的理論學家，到原子分子光學、固態物理領域的實驗物理學家.”；“邁出了模擬晶格規范場理論的真正一步：從實現量子模擬器的模塊到對特定模型的完全模擬。”
在上述相關工作的基礎上，該團隊將進一步使用量子模擬的方法研究具有其他群對稱性的、更高空間維度的規范場模型，并可推廣到遠離平衡態的規范場系統，研究真空衰變、與拓撲角度相關的動力學過程等重要物理難題。近年來，潘建偉研究團隊在利用超冷原子產生大規模量子糾纏態進行量子計算、構建拓撲量子計算系統、模擬凝聚態超流模型、模擬人工規范場、開展超冷化學研究等方面取得了一系列原創性的科研成果，已在Nature(1)、Science(3)、Nature Physics(5)、和PRL(8)等科學期刊上發表論文17篇，成為國際上超冷原子量子計算和量子模擬領域的領跑團隊之一。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2910-8
Observation of gauge invariance in a 71-site Bose–Hubbard quantum simulator
Bing Yang, Hui Sun, Robert Ott, Han-Yi Wang, Torsten V. Zache, Jad C. Halimeh, Zhen-Sheng Yuan, Philipp Hauke, & Jian-Wei Pan, Nature, https:// doi.org/10.1038/s41586-020-2910-8
