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我國(guó)學(xué)者在超冷原子量子計(jì)算和模擬研究方面取得進(jìn)展
2021年01月08日 14:36:19
來(lái)源：數(shù)理科學(xué)部 點(diǎn)擊量：4587
在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：11874341)等資助下，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授、苑震生教授等與德國(guó)海德堡大學(xué)、意大利特倫托(Trento)大學(xué)的合作者在超冷原子量子計(jì)算和模擬研究方面取得進(jìn)展，在71個(gè)格點(diǎn)的超冷原子量子模擬器上模擬了一維格點(diǎn)體系的施溫格爾(Schwinger)模型，首次在量子多體系統(tǒng)中驗(yàn)證了描述電荷與電場(chǎng)關(guān)系的高斯定理。相關(guān)研究成果以“在71格點(diǎn)量子模擬器中觀測(cè)規(guī)范不變性(
【化工儀器網(wǎng) 科技前沿】在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：11874341)等資助下，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授、苑震生教授等與德國(guó)海德堡大學(xué)、意大利特倫托(Trento)大學(xué)的合作者在超冷原子量子計(jì)算和模擬研究方面取得進(jìn)展，在71個(gè)格點(diǎn)的超冷原子量子模擬器上模擬了一維格點(diǎn)體系的施溫格爾(Schwinger)模型，首次在量子多體系統(tǒng)中驗(yàn)證了描述電荷與電場(chǎng)關(guān)系的高斯定理。相關(guān)研究成果以“在71格點(diǎn)量子模擬器中觀測(cè)規(guī)范不變性(Observation of gauge invariance in 71-site Bose-Hubbard quantum simulator)”為題，于2020年11月19日發(fā)表在《自然》(Nature)雜志上。文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2910-8。 
規(guī)范場(chǎng)理論是現(xiàn)代物理學(xué)中描述微觀世界標(biāo)準(zhǔn)模型理論的基礎(chǔ)，各種規(guī)范場(chǎng)方程的求解計(jì)算非常復(fù)雜，對(duì)超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力提出挑戰(zhàn)，開(kāi)發(fā)專用量子計(jì)算機(jī)(量子模擬器)來(lái)求解規(guī)范場(chǎng)方程成為一種可能。研究人員用超冷原子、囚禁離子等量子體系對(duì)規(guī)范場(chǎng)模型的基本單元進(jìn)行了初步量子模擬研究，但這些研究因?yàn)轶w系太小(僅有2-4個(gè)粒子)不具備局域規(guī)范不變性，或者無(wú)法同時(shí)產(chǎn)生規(guī)范場(chǎng)和物質(zhì)場(chǎng)，不能研究?jī)煞N場(chǎng)之間的相互作用和轉(zhuǎn)化。
研究團(tuán)隊(duì)在前期研究中開(kāi)發(fā)了獨(dú)特的自旋依賴超晶格、顯微鏡吸收成像、粒子數(shù)分辨探測(cè)等量子調(diào)控和測(cè)量技術(shù)，提出并實(shí)現(xiàn)了光晶格中原子的深度制冷，制備出了近百個(gè)原子的規(guī)?；孔幽M器。在前期研究的基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)與其合作者通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)合，找到了Schwinger模型中正負(fù)粒子、電場(chǎng)與哈伯德(Hubbard)模型中原子在格點(diǎn)上各種占據(jù)構(gòu)型之間的映射關(guān)系；開(kāi)發(fā)了區(qū)分奇偶格點(diǎn)上原子的高精度控制方法，利用原子之間碰撞屬性和相互作用帶來(lái)的量子態(tài)演化實(shí)現(xiàn)了對(duì)格點(diǎn)上原子布局?jǐn)?shù)的成像測(cè)量；在71個(gè)格點(diǎn)的超冷原子量子模擬器上模擬了一維格點(diǎn)體系的Schwinger模型，首次模擬了規(guī)范場(chǎng)與物質(zhì)場(chǎng)之間的相互作用和轉(zhuǎn)化，并觀測(cè)到局域規(guī)范不變性，從而驗(yàn)證了高斯定理，在規(guī)模化的量子模擬器求解復(fù)雜物理問(wèn)題的道路上取得了突破性進(jìn)展。
這項(xiàng)研究同時(shí)模擬了規(guī)范場(chǎng)、物質(zhì)場(chǎng)及其相互轉(zhuǎn)化，在適當(dāng)拓展之后具備超越經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)求解類似問(wèn)題的潛力，可用于其它群對(duì)稱性的更高空間維度的規(guī)范場(chǎng)模型研究，并可推廣到研究解決遠(yuǎn)離平衡態(tài)的規(guī)范場(chǎng)系統(tǒng)等重要物理難題。
圖1：一維格點(diǎn)Schwinger模型描述正反粒子通過(guò)電場(chǎng)傳遞相互作用，而正負(fù)粒子湮滅后轉(zhuǎn)化成了電場(chǎng)激發(fā)。一維Hubbard模型描述光晶格中的冷原子隧穿和相互作用的過(guò)程，在特定的勢(shì)阱形狀下，一維Hubbard模型與Schwinger模型的群對(duì)稱性相同。
圖1：一維格點(diǎn)Schwinger模型描述正反粒子通過(guò)電場(chǎng)傳遞相互作用，而正負(fù)粒子湮滅后轉(zhuǎn)化成了電場(chǎng)激發(fā)。一維Hubbard模型描述光晶格中的冷原子隧穿和相互作用的過(guò)程，在特定的勢(shì)阱形狀下，一維Hubbard模型與Schwinger模型的群對(duì)稱性相同。
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