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我國學者在超冷原子量子計算和模擬研究方面取得進展
2021年01月08日 14:36:19
來源：數理科學部 點擊量：4569
在國家自然科學基金項目(批準號：11874341)等資助下，中國科學技術大學潘建偉教授、苑震生教授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方面取得進展，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施溫格爾(Schwinger)模型，首次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。相關研究成果以“在71格點量子模擬器中觀測規范不變性(
【化工儀器網 科技前沿】在國家自然科學基金項目(批準號：11874341)等資助下，中國科學技術大學潘建偉教授、苑震生教授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方面取得進展，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施溫格爾(Schwinger)模型，首次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。相關研究成果以“在71格點量子模擬器中觀測規范不變性(Observation of gauge invariance in 71-site Bose-Hubbard quantum simulator)”為題，于2020年11月19日發表在《自然》(Nature)雜志上。文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2910-8。 
規范場理論是現代物理學中描述微觀世界標準模型理論的基礎，各種規范場方程的求解計算非常復雜，對超級計算機的計算能力提出挑戰，開發專用量子計算機(量子模擬器)來求解規范場方程成為一種可能。研究人員用超冷原子、囚禁離子等量子體系對規范場模型的基本單元進行了初步量子模擬研究，但這些研究因為體系太小(僅有2-4個粒子)不具備局域規范不變性，或者無法同時產生規范場和物質場，不能研究兩種場之間的相互作用和轉化。
研究團隊在前期研究中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，提出并實現了光晶格中原子的深度制冷，制備出了近百個原子的規模化量子模擬器。在前期研究的基礎上，該團隊與其合作者通過實驗和理論結合，找到了Schwinger模型中正負粒子、電場與哈伯德(Hubbard)模型中原子在格點上各種占據構型之間的映射關系；開發了區分奇偶格點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的量子態演化實現了對格點上原子布局數的成像測量；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，并觀測到局域規范不變性，從而驗證了高斯定理，在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進展。
這項研究同時模擬了規范場、物質場及其相互轉化，在適當拓展之后具備超越經典超級計算機求解類似問題的潛力，可用于其它群對稱性的更高空間維度的規范場模型研究，并可推廣到研究解決遠離平衡態的規范場系統等重要物理難題。
圖1：一維格點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。
圖1：一維格點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。
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