71格点量子模拟器成功求解量子电动力学方程

量子模拟器在解决复杂物理问题上有了突破！

中国科技大学等国内外单位的研究人员在超冷原子的量子计算和模拟方面取得了重要突破。他们研制了一台具有3，335，471个格点的特殊量子计算机，成功求解了量子电动力学方程的Schwinge模型，并通过操纵束缚在其中的超冷原子，首次模拟了规范场与物质场的相互作用和转换，从而观察到了局域规范不变性。相关研究成果于11月19日在《自然》杂志在线发布。

规范场理论是现代物理学的基础，主要用来描述基本粒子之间的相互作用、产生和湮灭过程。随着规范场理论半个多世纪的发展，科学家们发现求解各种规范场方程的计算复杂度非常高，这对超级计算机的数值计算能力提出了严峻的挑战。

因此，建议开发一种称为量子模拟器的特殊量子计算机来构造晶格规范场模型。在实验中，通过精确调整模拟器的各种参数来制备目标量子态。通过量子气体显微镜成像，观察模拟量子态的相变和量子关联，得到待研究规范场模型的各种物理性质。

“国际上很多研究者利用超冷原子和囚禁离子对规范场模型的基本单位进行了初步的量子模拟研究。但这些实验要么太小，不具备局部规范不变性，要么不能同时产生规范场和物质场，更谈不上研究这两个场的相互作用和转化。”中国科学技术大学常务副校长、中国科学院院士潘建伟表示，以往的研究无法观察到规范场理论最基本的特征，即——局域规范不变性。

为此，研究人员研制了71个格点的超冷原子量子模拟器，模拟了一维晶格体系的Schwinge模型，实验观察了局域规范不变量。首次借助微观量子控制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，在用大规模量子模拟器解决复杂物理问题上取得了突破。

《自然》杂志的审稿人对这部作品评价很高。他们认为这项工作是“用量子模拟方法研究晶格规范场的重要里程碑”，“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完全模拟一个特定的模型”。

中国科学技术大学教授袁振生表示，未来研究团队将进一步利用量子模拟方法，研究具有其他群对称性和更高空间维度的规范场模型，可以扩展到远离平衡态的规范场系统，研究真空衰变、拓扑角度相关的动力学过程等重要物理问题。