量子模擬器求解復(fù)雜數(shù)學(xué)問題獲得突破性進(jìn)展！
來自中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院等國外外單位的研究人員在超冷原子量子估算和模擬研究中取得重要突破，她們開發(fā)了一種專用的量子計(jì)算機(jī)——71個(gè)格點(diǎn)的超冷原子光晶格量子模擬器，對量子電動(dòng)熱學(xué)多項(xiàng)式施溫格模型進(jìn)行了成功求解，通過操控禁錮在其中的超冷原子，首次模擬了規(guī)范場與物質(zhì)場之間的互相作用和轉(zhuǎn)化，并由此觀測到了局域規(guī)范不變性。相關(guān)研究成果11月19日在線發(fā)表于《自然》雜志上。
規(guī)范場理論是現(xiàn)代數(shù)學(xué)學(xué)的根基，主要拿來描述基本粒子之間的互相作用、產(chǎn)生和湮沒過程。伴隨著規(guī)范場理論半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，科學(xué)家們發(fā)覺各類規(guī)范場多項(xiàng)式求解的估算復(fù)雜度十分高，對超級計(jì)算機(jī)的數(shù)值估算能力產(chǎn)生了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。
于是，人們提出了開發(fā)一種被稱為量子模擬器的專用量子計(jì)算機(jī)，來建立晶格規(guī)范場模型，在實(shí)驗(yàn)中通過對模擬器各類參數(shù)的精準(zhǔn)調(diào)控來制備目標(biāo)量子物態(tài)，并用量子二氧化碳顯微鏡成像等手段，觀測所模擬的量子物態(tài)的相變、量子關(guān)聯(lián)等性質(zhì)，獲得待研究規(guī)范場模型的各類化學(xué)性質(zhì)。
“在國際上，有不少研究人員用超冷原子、囚禁離子等體系對規(guī)范場模型的基本單元進(jìn)行了初步的量子模擬研究。并且，這種實(shí)驗(yàn)要么體系太小，不具備局域規(guī)范不變性，要么未能同時(shí)形成規(guī)范場和物質(zhì)場，更不能研究這兩種場之間的互相作用和轉(zhuǎn)化。”中國科技學(xué)院常務(wù)副院長、中國科大學(xué)教授潘建偉說物理實(shí)驗(yàn)室模擬器初中，因而，此前的研究都難以觀測規(guī)范場理論最基本的特點(diǎn)——局域規(guī)范不變性。
因此，研究人員開發(fā)了71個(gè)格點(diǎn)的超冷原子量子模擬器物理實(shí)驗(yàn)室模擬器初中，模擬一維格點(diǎn)體系的施溫格模型，從實(shí)驗(yàn)上觀測到了局域規(guī)范不變量，首次使用微觀量子調(diào)控手段在量子多體系統(tǒng)中驗(yàn)證了描述電荷與電場關(guān)系的高斯定律，在使用規(guī)模化的量子模擬器求解復(fù)雜數(shù)學(xué)問題的公路上取得了突破性進(jìn)展。
《自然》雜志審稿人對該工作給與了高度評價(jià)。她們覺得這項(xiàng)工作“是量子模擬方式研究晶格規(guī)范場的一個(gè)重要的里程碑”，“邁出了模擬晶格規(guī)范場理論的真正一步：從實(shí)現(xiàn)量子模擬器的模塊到對特定模型的完全模擬”。
中國科技學(xué)院院長苑震生表示，未來研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步使用量子模擬的方式研究具有其他群對稱性的、更高空間維度的規(guī)范場模型，并可推廣到遠(yuǎn)離平衡態(tài)的規(guī)范場系統(tǒng)，研究真空衰變、與拓?fù)浣嵌认嚓P(guān)的動(dòng)力學(xué)過程等重要化學(xué)困局。