量子计算和量子模拟研究获重要突破

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（Trento）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（Schwinger Model）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，国际著名学术期刊《自然》杂志发表了该研究成果。

图：一维格点Schwinger模型描述正反粒子通过电场传递相互作用，而正负粒子湮灭后转化成了电场激发。一维Hubbard模型描述光晶格中的冷原子隧穿和相互作用的过程，在特定的势阱形状下，一维Hubbard模型与Schwinger模型的群对称性相同。

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。在该理论的发展过程中，杨振宁、米尔斯、温伯格、费曼等科学家都做出了重要的贡献。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了严重的挑战。

示意图：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。(制图：石千惠、梁琰)

于是，人们提出了开发专用量子计算机---量子模拟器---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，马普量子光学所、苏黎世联邦理工学院、哈佛大学、中国科大、因斯布鲁克大学等机构的研究人员用超冷原子、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。但是，这些实验中要么是体系太小（仅有2个到4个粒子）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。因此，此前的研究中都无法观测规范场理论最基本的特性——局域规范不变性。

为了解决以往的量子模拟器中相干调控的粒子数太少和无法同时产生规范场、物质场的两个主要问题，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[Nature Physics 13, 1195 (2017)]；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[Science 369, 550 (2020)]；在以上研究的基础上，通过实验和理论结合，该联合研究团队找到了Schwinger模型中正负粒子、电场与Hubbard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Schwinger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（评审意见https://www.nature.com/articles/s41586-020-2910-8中的peer review file）：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……该工作同时模拟了物质场和规范场，是相关交叉学科研究的里程碑。它将受到多个学科领域的关注，从基本粒子、晶格规范场、和量子信息方面的理论学家，到原子分子光学、固态物理领域的实验物理学家.”；“迈出了模拟晶格规范场理论的真正一步：从实现量子模拟器的模块到对特定模型的完全模拟。”

在上述相关工作的基础上，该团队将进一步使用量子模拟的方法研究具有其他群对称性的、更高空间维度的规范场模型，并可推广到远离平衡态的规范场系统，研究真空衰变、与拓扑角度相关的动力学过程等重要物理难题。近年来，潘建伟研究团队在利用超冷原子产生大规模量子纠缠态进行量子计算、构建拓扑量子计算系统、模拟凝聚态超流模型、模拟人工规范场、开展超冷化学研究等方面取得了一系列原创性的科研成果，已在Nature(1)、Science(3)、Nature Physics(5)、和PRL(8)等科学期刊上发表论文17篇，成为国际上超冷原子量子计算和量子模拟领域的领跑团队之一。

该研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院、教育部和安徽省等的支持。（文/中科大）