近期，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、苑震生等人與德國、意大利科學(xué)家合作，開發(fā)出一種專用型量子計算機——71個格點的超冷原子光晶格量子模擬器，對量子電動力學(xué)方程施溫格模型進行了成功模擬，取得了利用規(guī)模化量子計算和量子模擬方法求解復(fù)雜物理問題的重要突破。11月19日，國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志發(fā)表了該成果。

規(guī)范場理論是現(xiàn)代物理學(xué)的根基，如描述基本粒子相互作用的量子電動力學(xué)、標準模型等都是滿足特定群對稱性的規(guī)范場理論。迄今為止，標準模型成為統(tǒng)一描述強、弱、電磁三種相互作用的最成功的理論，楊振寧、米爾斯、溫伯格、費曼等科學(xué)家為此作出重要貢獻。但是，求解各種規(guī)范場方程的計算復(fù)雜度非常高，對超級計算機的數(shù)值計算能力形成重大挑戰(zhàn)。

近年來，國際科學(xué)界試圖開發(fā)“量子模擬器”這種專用型量子計算機，制備目標量子物態(tài)，獲得規(guī)范場模型的各種物理性質(zhì)。多個知名國際科研機構(gòu)用超冷原子、囚禁離子等體系對規(guī)范場模型的基本單元進行了初步的量子模擬研究，但在實驗中遇到一系列難題。

近期，中科大研究團隊開發(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)，解決以往的量子模擬器中相干調(diào)控的粒子數(shù)太少和無法同時產(chǎn)生規(guī)范場、物質(zhì)場的兩個主要問題。

通過實驗上的精確調(diào)控，他們在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方程模型，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，并由此觀測到了局域規(guī)范不變性，驗證了高斯定理,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了突破性進展。

《自然》雜志審稿人對此給予高度評價，認為這是“量子模擬方法研究晶格規(guī)范場的一個重要里程碑”，取得的成果將對量子信息、原子分子光學(xué)、固態(tài)物理等科研領(lǐng)域產(chǎn)生積極影響。(記者徐海濤、董瑞豐)