中國科大等在超冷原子量子模擬研究中獲進展

【環球網科技綜合報道】7月20日消息，近日，中國科學技術大學潘建偉、苑震生等與德國海德堡大學、奧地利因斯布魯克大學、意大利特倫託大學的研究人員合作，在超冷原子量子模擬研究中取得進展。科研人員使用超冷原子量子模擬器，對格點規範場理論中非平衡態過渡到平衡態的熱化動力學進行了模擬，首次在實驗上證實了規範對稱性約束下量子多體熱化導致的初態信息“丟失”，取得了利用量子模擬方法求解複雜物理問題的重要進展。

據悉，相關研究成果發表在《科學》上。《科學》雜誌審稿人對此給予高度評價，認為該研究為超冷原子模擬格點規範場理論這一領域的發展做出了重要貢獻，代表了量子模擬研究領域的前沿。

規範場理論是現代物理學的基礎，如描述基本粒子相互作用的量子電動力學、標準模型等是滿足特定羣對稱性的規範場理論，在粒子物理學、宇宙學以及凝聚態物理學等領域得到廣泛應用。由於其求解複雜度高，規範場理論體系中仍有許多開放問題。其中，規範場理論描述的物理系統是否可以從遠離平衡態經過演化達到熱平衡備受關注。該問題的解決，有助於理解高能物理中重核碰撞的問題，也將為現代宇宙學中大爆炸早期物質的形成提供了物理解釋。但是，使用經典計算機求解複雜的規範場理論是公認難題，量子模擬器為解決該問題提供了新路徑。

近年來，科學家嘗試用離子阱、超冷原子氣體、Rydberg原子陣列和超導量子比特等體系對格點規範場理論開展量子模擬研究。然而，由於格點規範理論中相互作用形式複雜，並要求物理系統始終處在局域規範對稱性約束條件下，對格點規範場理論熱化動力學的實驗模擬造成了困難，因而還未在實驗上實現。

為解決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，中國科大科研人員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；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。在上述研究基礎上，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。

據瞭解，未來，該團隊將進一步使用量子模擬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，以及真空衰變、動態拓撲量子相變等物理難題。