▲来源：nature网站

我国量子计算和量子模拟研究再获重要突破。中国科学技术大学潘建伟、苑震生等与德国海德堡大学、意大利特伦托大学的合作者开发了一种专用量子计算机——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。

这是物理学家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，实现了“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。今天凌晨，国际著名学术期刊《自然》杂志发表了该研究成果。

向规范场理论逼近

规范场理论是现代物理学的根基。大名鼎鼎的标准模型，是迄今为止统一描述强、弱、电磁三种相互作用的最成功的理论，而它就是一种满足特定群对称性的规范场理论。

▲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)

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提出了巨大挑战。于是，科学家开始尝试开发专用量子计算机——量子模拟器。

用量子模拟器来构建晶格规范场模型，科学家就可以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，并观测所模拟的量子物态的性质，获得待研究规范场模型的各种物理性质。

论文主要作者、中国科学技术大学微尺度物质科学国家研究中心教授苑震生解释，就好比人们想要造一座桥，需要事先研究它的力学性质。工程师可以根据其材料、几何形状，用相应的材料建一个类似的模型，然后通过测量模型的力学性质，去推知待建桥梁的性质。

完美验证高斯定理

然而，要给规范场建模型，太困难了。

国际上，很多著名物理学团队使用超冷原子、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，但这些实验总存在一些不足。

一种不足是体系太小，仅有2个到4个粒子，这样就无法观察到一群粒子在一起相互作用而表现出来的规律，也就无法验证局域规范不变性——就好像只种一两棵树，是无法研究森林所形成的生态环境的。另一种不足是无法模拟规范场的真实状态，即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。

为了解决这些问题，中科大潘建伟院士研究团队通过多年努力，开发出了一系列独特技术，既可同时产生规范场和物质场，又可对近百个原子级别的量子多体系统进行精确调控。

在以上研究的基础上，该联合研究团队找到了施温格模型中正负粒子、电场与Hubbard模型中原子在格点上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施温格模型，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进展。

“其实，求解一维施温格模型，经典计算机完全可以胜任。”苑震生说，希望这次可以验证团队建立的模型是正确的，将来可再拓展到更为复杂的层面上——对于经典计算机难以求解的二维施温格模型，量子计算就可一展身手。

领跑世界量子模拟领域

《自然》杂志审稿人对此项工作给予了高度评价，认为这项工作“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”。审稿人同时表示，该研究“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”。

以此为基础，未来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科研成果，已在《自然》《科学》《自然-物理》《物理评论快报》等知名学术期刊上发表论文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。

作者：许琦敏

图片：除注明外，均为中国科大提供
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