量子模擬再立功！研究規範場論問題，中國打開了一扇門 | 科技袁人_風聞

該團隊將進一步使用量子模擬的方法研究具有其他羣對稱性的、更高空間維度的規範場理論模型，研究真空衰變、動態拓撲量子相變等物理難題。

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本視頻發佈於2022年8月5日，播放量已達9.1w

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把一杯熱水和一杯冷水混到一起，它們會迅速變成一杯温水。這種日常生活中經常見到的現象，叫做熱平衡，學術一點的名字叫做熱化（thermalization）。然而，規範場理論（gauge field theory）下是否會發生熱平衡呢？

熱化（thermalization）

規範場理論這個詞你可能是第一次聽説，它是一大類理論，例如描述基本粒子相互作用的量子電動力學和標準模型都是滿足某種對稱性的規範場理論。對楊振寧比較瞭解的人可能聽説過，楊振寧的重大成就除了和李政道獲得諾貝爾獎的宇稱不守恆，還有一個沒獲諾貝爾獎而同樣非常重要的，叫做非阿貝爾規範場論。是的，就是這個詞。

楊振寧

大家平時熟悉的描述宏觀世界的理論是牛頓力學，而它在微觀世界是完全不適用的，要描述微觀世界必須用量子力學。規範場論相當於量子力學的一種升級版，在常規的理論上又加上了局域規範對稱性。局域、規範、對稱性，嗯，這三個詞都夠硬的。其中容易理解的似乎只有對稱性這一個，局域和規範我們在這裏就不解釋了。大家只要明白，規範場論比常規的量子力學對稱性更高，受到的限制條件更多，就可以了。

論文《一種規範理論在量子模擬器上的熱化動力學》宣傳圖，第一作者周肇宇博士提供。上面是規範場理論中的粒子與相互作用，下面是實驗中模擬使用的原子陣列

熱平衡之所以會成為一個問題，是因為絕大多數微觀現象都是時間可逆的。也就是説，把一個系統倒着演化回去，是完全可行的。換句話説，就是信息永遠不會丟失。然而，我們從來沒有見過一杯温水自發地變成一半熱水一半冷水，即熱平衡是個時間不可逆的現象。因此，微觀可逆的動力學理論跟宏觀不可逆的熱平衡現象，就構成了表觀上的矛盾。

如何解決這個矛盾？李政道有個比喻：好比坐火車，所有的火車線路都是雙向的，即在微觀上是可逆的。然而有些火車站四通八達，如北京；有些火車站反之，如從八達嶺出發只通往北京。因此假如一個人從八達嶺出發隨機坐火車，他第一站肯定是到北京，然後會怎麼樣呢？他會立刻回到八達嶺嗎？他有極大的概率不是回到八達嶺，而是跑到其他地方去了。當然，只要時間足夠長，他總有一天會回到八達嶺。但這個時間平均而言十分漫長，可能要漫遊全國以後才能回去。這樣，就解釋了微觀可逆與宏觀不可逆的佯謬。

李政道的八達嶺解釋，見《統計力學》講義第79頁

（世界讀書日，推薦《量子信息簡話》和李政道《統計力學》 | 科技袁人）

對於牛頓力學和量子力學的系統如何達到熱平衡，人們已經做了大量的研究，取得了很多成果。然而對於規範場論，我們對它的瞭解就少得多。因為它的對稱性更高，它要達到熱平衡就更難。難到什麼程度呢？我們甚至還不能在理論上確定，規範場論中究竟會不會發生熱平衡！

當然，通過數值計算我們可以模擬一個規範場論的體系，觀察它會不會趨向熱平衡。然而，這種模擬的計算量極大，對稍大一點的體系，就無法用現有的計算機完成。也就是説，一個理論難題變成了一個計算難題。

有趣的是，有另一種辦法可以模擬這個問題：不是拿計算機去算，而是構建另一個物理體系，它的演化在數學上跟規範場論等價。於是通過觀測這個體系的演化，就可以獲得規範場論的結果。這種方法叫做量子模擬（quantum simulation）。它跟另一個領域量子計算（quantum computing）十分相似，都是用一個量子體系模擬另一個量子體系。在我的科普書《量子信息簡話》裏，對量子計算有詳細的介紹。它們的基本思想都是：只有用魔法才能打敗魔法，只有用量子才能打敗量子！

《量子信息簡話》

最近，中國科學技術大學潘建偉院士、苑震生教授等人與德國海德堡大學、奧地利因斯布魯克大學、意大利特倫託大學的研究者合作，首次實現了這樣的量子模擬。基本結論是：在某些類型的規範場論裏，確實會發生熱平衡。

他們做的事情，可以參見論文第一作者周肇宇博士給我的這張宣傳圖。上圖是日常生活中常見的現象：冷水和熱水混合後達到熱平衡。下圖是他們做的實驗：束縛在光晶格中的原子被製備到滿足特定規範對稱性的量子多體初態，通過調控實驗參數快速改變原子之間的相互作用，把系統置於非平衡態，請問這個系統能不能達到平衡態？

論文《一種規範理論在量子模擬器上的熱化動力學》宣傳圖，製圖：陳磊、周肇宇、梁琰、苑震生

2022年7月15日，他們的論文發表在國際頂級期刊《Science》，標題叫做《一種規範理論在量子模擬器上的熱化動力學》（Thermalization dynamics of a gauge theory on a quantum simulator）（https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl6277）。如果一上來就看到這標題，你也許會不知所云，現在你就知道它説的是啥了吧？

《一種規範理論在量子模擬器上的熱化動力學》

下面來摘錄一段新聞報道（http://news.ustc.edu.cn/info/1055/79824.htm）。聽不懂裏邊的術語沒關係，只要明白這些是他們面臨的困難和解決的方法，你的思維層次就超過了90%的人：

為了解決以往的量子模擬器中相干調控的粒子數太少和無法保證規範對稱性約束的兩個主要問題，中國科大的研究團隊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，在超冷原子量子模擬器中提出並實現了光晶格中原子的深度製冷，解決了量子模擬器温度過高缺陷過多的問題，實驗製備了近百個原子級別的規模化量子模擬器 [Science 369, 550 (2020)]；首次實現了利用大規模量子模擬器對格點規範場理論量子相變過程的實驗模擬，驗證了過程中的規範不變性[Nature 587, 392 (2020)]。

在以上研究的基礎上，通過實驗和理論結合，該團隊將系統製備到遠離平衡的初態，首次實驗研究了規範對稱性約束對量子多體系統熱化動力學的影響，並且觀測到具有相同守恆量的不同初態熱化到同一個平衡態的過程，驗證了熱化過程造成的量子多體系統初態信息的“丟失”，建立了規範場理論早期非平衡動力學與最終熱平衡態之間的聯繫，在使用規模化的量子模擬器求解複雜物理問題的道路上取得了重要進展。

請注意這一句：驗證了熱化過程造成的量子多體系統初態信息的“丟失”。這話的意思是，雖然在微觀上，規範場論的演化永遠不會丟失信息，但在宏觀上，信息確實有丟失。也就是説，不同的初始狀態會演化到相同的最終狀態，只是演化的過程不同。論文的圖1A是一個示意圖，表示了兩個不同的初態變成同一個終態。

論文《一種規範理論在量子模擬器上的熱化動力學》圖1

論文的圖4是他們具體的實驗結果，在兩種參數下各有兩個初態演化成了同一個終態。正如一杯50度的水可能來自30度與70度的混合，也可能來自10度與90度的混合。如果你能深入到每一個原子的運動，你也許可以判斷它是從哪個初始狀態來的；但如果你只能做宏觀的測量，你就無法判斷它是從哪個初始狀態來的。

論文《一種規範理論在量子模擬器上的熱化動力學》圖4

如果光聽這個結論，那麼好像只是驗證了一個常識：遠離平衡的體系會趨向熱平衡。然而，對於規範場論這一點是否會發生，以前是不確定的，現在通過量子模擬才確定。因此，這是一個非常重要的成果。

更重要的是這項工作的前景，因為我們已經能夠用量子模擬來研究規範場論的問題，這就打開了一扇通往寶庫的大門。通過量子模擬，我們還可以將參數調製到原本模擬的體系中沒有的情形，探討更深入的物理問題。正如新聞報道中所説：在上述工作的基礎上，該團隊將進一步使用量子模擬的方法研究具有其他羣對稱性的、更高空間維度的規範場理論模型，研究真空衰變、動態拓撲量子相變等物理難題。

**致謝：**感謝中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室苑震生教授、周肇宇博士在科學方面的指教。