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中外科学家用超冷原子量子模拟器成功求解施温格方程

作者: 徐海涛、董瑞丰 来源: 新华网
2020-11-19 10:47 
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新华社合肥11月19日电(记者徐海涛、董瑞丰)近期,中国科学技术大学潘建伟、苑震生等人与德国、意大利科学家合作,开发出一种专用型量子计算机——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,取得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,国际著名学术期刊《自然》杂志发表了该成果。

规范场理论是现代物理学的根基,如描述基本粒子相互作用的量子电动力学、标准模型等都是满足特定群对称性的规范场理论。迄今为止,标准模型成为统一描述强、弱、电磁三种相互作用的最成功的理论,杨振宁、米尔斯、温伯格、费曼等科学家为此作出重要贡献。但是,求解各种规范场方程的计算复杂度非常高,对超级计算机的数值计算能力形成重大挑战。

近年来,国际科学界试图开发“量子模拟器”这种专用型量子计算机,制备目标量子物态,获得规范场模型的各种物理性质。多个知名国际科研机构用超冷原子、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,但在实验中遇到一系列难题。

近期,中科大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,解决以往的量子模拟器中相干调控的粒子数太少和无法同时产生规范场、物质场的两个主要问题。

通过实验上的精确调控,他们在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方程模型,首次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进展。

《自然》杂志审稿人对此给予高度评价,认为这是“量子模拟方法研究晶格规范场的一个重要里程碑”,取得的成果将对量子信息、原子分子光学、固态物理等科研领域产生积极影响。

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