我国量子计算和量子模拟研究获得重要突破:科学

11 月 20 日消息 我国在超冷原子量子计算和模拟研究中再获突破。

据来自中国科学院的消息，中国科学技术大学潘建伟、苑震生等与德国海德堡大学、意大利特伦托大学的合作者在超冷原子量子计算和模拟研究中取得重要突破。

他们开发了一种专用的量子计算机——71 个格点的超冷原子光晶格量子模拟器，对量子电动力学方程施温格模型进行了成功模拟，通过操控束缚在其中的超冷原子，从实验上观测到了局域规范不变量。

这是物理学家使用微观量子调控手段，在量子多体系统中验证了描述电荷与电场关系的高斯定理，实现了 “利用规模化量子计算和量子模拟方法求解复杂物理问题”的重要突破。

11 月 19 日凌晨，国际学术期刊《自然》杂志发表了该研究成果。《自然》杂志审稿人认为，这项工作 “是量子模拟方法研究晶格规范场的一个重要的里程碑”，“迈出了模拟晶格规范场理论的真正一步从实现量子模拟器的模块到对特定模型的完全模拟”。

据介绍，规范场理论是现代物理学的根基，主要用来描述基本粒子之间的相互作用、产生和湮灭过程。伴随着规范场理论半个多世纪的发展，科学家们发现各种规范场方程求解的计算复杂度非常高，对超级计算机的数值计算能力形成了严重的挑战。

在国际上，诸多知名研究机构都尝试用超冷原子、囚禁离子等体系对规范场模型的基本单元进行了初步的量子模拟研究。但这些实验要么体系太小，不具备局域规范不变性，要么无法产生规范场和物质场，更不能研究这两种场之间的相互作用和转化。，此前的研究都无法观测规范场理论最基本的特性——局域规范不变性。

为此，中国科大的研究团队开发了独特的自旋依赖超晶格、显微镜吸收成像、粒子数分辨探测等量子调控和测量技术，在超冷原子量子模拟器中实现了对 Z2 规范对称性的规范场模型单元哈密顿量的研究;又提出并实现了光晶格中原子的深度制冷，解决了量子模拟器温度过高缺陷过多的问题，实验制备了近百个原子级别的规模化量子模拟器。在此基础上，该联合研究团队在 71 个格点的超冷原子量子模拟器上模拟了一维格点体系的施温格模型，模拟了规范场与物质场之间的相互作用和转化、并由此观测到了局域规范不变性，验证了高斯定理，在使用规模化的量子模拟器求解复杂物理问题的道路上取得了突破性的进展。