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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(shù)理科學部 點擊量：4567
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(shù)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(tǒng)中驗證了描述電荷與電場關(guān)系的高斯定理。相關(guān)研究成果以“在71格點量子模擬器中觀測規(guī)范不變性(
【化工儀器網(wǎng) 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(shù)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(tǒng)中驗證了描述電荷與電場關(guān)系的高斯定理。相關(guān)研究成果以“在71格點量子模擬器中觀測規(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)范場理論是現(xiàn)代物理學中描述微觀世界標準模型理論的基礎(chǔ)，各種規(guī)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(zhàn)，開發(fā)專用量子計算機(量子模擬器)來求解規(guī)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(guī)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(guī)范不變性，或者無法同時產(chǎn)生規(guī)范場和物質(zhì)場，不能研究兩種場之間的相互作用和轉(zhuǎn)化。
研究團隊在前期研究中開發(fā)了獨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)，提出并實現(xiàn)了光晶格中原子的深度制冷，制備出了近百個原子的規(guī)?；孔幽M器。在前期研究的基礎(chǔ)上，該團隊與其合作者通過實驗和理論結(jié)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(jù)構(gòu)型之間的映射關(guān)系；開發(fā)了區(qū)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(tài)演化實現(xiàn)了對格點上原子布局數(shù)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(guī)范場與物質(zhì)場之間的相互作用和轉(zhuǎn)化，并觀測到局域規(guī)范不變性，從而驗證了高斯定理，在規(guī)?；牧孔幽M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(guī)范場、物質(zhì)場及其相互轉(zhuǎn)化，在適當拓展之后具備超越經(jīng)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(guī)范場模型研究，并可推廣到研究解決遠離平衡態(tài)的規(guī)范場系統(tǒng)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(zhuǎn)化成了電場激發(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(zhuǎn)化成了電場激發(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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