中新網(wǎng)北京11月19日電 (記者 孫自法)記者19日從中國科學(xué)院獲悉，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉、苑震生等與德國海德堡大學(xué)、意大利特倫托大學(xué)的合作者，最新在量子計(jì)算和量子模擬研究獲重要突破：他們開發(fā)出一種專用的量子計(jì)算機(jī)——71個(gè)格點(diǎn)的超冷原子光晶格量子模擬器，對量子電動力學(xué)方程施溫格模型(Schwinger Model)進(jìn)行了成功模擬。
Schwinger模型：描述粒子與規(guī)范場之間的相互作用和轉(zhuǎn)化，如正反粒子湮滅產(chǎn)生光子的過程。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。中國科大研究團(tuán)隊(duì) 供圖
這一量子計(jì)算和量子模擬研究領(lǐng)域重要科研成果論文，北京時(shí)間11月19日凌晨獲國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》在線發(fā)表。中德意科學(xué)家通過操控束縛在其中的超冷原子，從實(shí)驗(yàn)上觀測到局域規(guī)范不變量，首次使用微觀量子調(diào)控手段在量子多體系統(tǒng)中驗(yàn)證了描述電荷與電場關(guān)系的高斯定理，從而取得利用規(guī)模化量子計(jì)算和量子模擬方法求解復(fù)雜物理問題的重要突破。
苑震生教授介紹說，規(guī)范場理論是現(xiàn)代物理學(xué)的根基，伴隨著規(guī)范場理論半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)各種規(guī)范場方程求解的計(jì)算復(fù)雜度非常高，對超級計(jì)算機(jī)的數(shù)值計(jì)算能力形成嚴(yán)重挑戰(zhàn)。于是，人們提出開發(fā)專用量子計(jì)算機(jī)——量子模擬器——構(gòu)建晶格規(guī)范場模型，在實(shí)驗(yàn)中通過對模擬器的各種參數(shù)的精準(zhǔn)調(diào)控制備目標(biāo)量子物態(tài)，并用量子氣體顯微鏡成像等手段，觀測所模擬的量子物態(tài)的相變、量子關(guān)聯(lián)等性質(zhì)，獲得待研究規(guī)范場模型的各種物理性質(zhì)。
Hubbard模型：描述光晶格中的超冷原子在相鄰格點(diǎn)上的隧穿過程和同一格點(diǎn)上的原子之間的相互排斥或吸引作用。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。中國科大研究團(tuán)隊(duì) 供圖
為解決以往的量子模擬器中相干調(diào)控的粒子數(shù)太少和無法同時(shí)產(chǎn)生規(guī)范場、物質(zhì)場的兩個(gè)主要問題，中國科大研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出獨(dú)特的自旋依賴超晶格、顯微鏡吸收成像、粒子數(shù)分辨探測等量子調(diào)控和測量技術(shù)，在超冷原子量子模擬器中實(shí)驗(yàn)制備了近百個(gè)原子級別的規(guī)模化量子模擬器，并通過與德意同行合作開展實(shí)驗(yàn)上的精確調(diào)控，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)體系的施溫格模型，首次模擬出規(guī)范場與物質(zhì)場之間的相互作用和轉(zhuǎn)化，并由此觀測到局域規(guī)范不變性(驗(yàn)證了高斯定理)，從而在使用規(guī)模化的量子模擬器求解復(fù)雜物理問題的道路上取得突破性的進(jìn)展。
《自然》審稿人評價(jià)認(rèn)為，這項(xiàng)研究工作“是量子模擬方法研究晶格規(guī)范場的一個(gè)重要的里程碑”“該工作同時(shí)模擬了物質(zhì)場和規(guī)范場，是相關(guān)交叉學(xué)科研究的里程碑”“邁出了模擬晶格規(guī)范場理論的真正一步：從實(shí)現(xiàn)量子模擬器的模塊到對特定模型的完全模擬”。
苑震生透露，在此次科研突破成果相關(guān)工作基礎(chǔ)上，中國科大團(tuán)隊(duì)后續(xù)將進(jìn)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(guī)范場模型，并可推廣到遠(yuǎn)離平衡態(tài)的規(guī)范場系統(tǒng)，研究真空衰變、與拓?fù)浣嵌认嚓P(guān)的動力學(xué)過程等重要物理難題。
據(jù)了解，近年來，潘建偉研究團(tuán)隊(duì)在利用超冷原子產(chǎn)生大規(guī)模量子糾纏態(tài)進(jìn)行量子計(jì)算、構(gòu)建拓?fù)淞孔佑?jì)算系統(tǒng)、模擬凝聚態(tài)超流模型、模擬人工規(guī)范場、開展超冷化學(xué)研究等方面取得一系列原創(chuàng)性科研成果，現(xiàn)已成為國際上超冷原子量子計(jì)算和量子模擬領(lǐng)域的領(lǐng)跑團(tuán)隊(duì)之一。(完)