中科大超冷原子量子模擬獲重要進展

中科大超冷原子量子模擬獲重要進展格點規(guī)范場理論熱化問題得解【科技前沿】合肥7月15日電（記者常河

通訊員王敏）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、意大利特倫托大學的相關研究人員合作，使用超冷原子量子模擬器，首次在實驗上證實了規(guī)范對稱性約束下量子多體熱化導致的初態(tài)信息“丟失”，取得了利用量子模擬方法求解復雜物理問題的重要進展。北京時間7月15日，該成果發(fā)表于《科學》。規(guī)范場理論是現(xiàn)代物理學的基礎，在粒子物理學、宇宙學以及凝聚態(tài)物理學等領域獲得廣泛應用。由于其求解復雜度高，規(guī)范場理論體系中仍有很多開放問題。其中，規(guī)范場理論描述的物理系統(tǒng)是否可以從遠離平衡態(tài)經過演化達到熱平衡，就是一個備受關注并極具挑戰(zhàn)性的問題。這一問題的解決，有助于人們理解高能物理中重核碰撞的問題，并將為現(xiàn)代宇宙學中大爆炸早期物質的形成提供物理解釋。使用經典計算機求解復雜的規(guī)范場理論是一個公認的難題，量子模擬器為解決這一問題提供了新路徑。然而，由于格點規(guī)范理論中相互作用形式復雜，并要求物理系統(tǒng)始終處在局域規(guī)范對稱性約束條件下，這對格點規(guī)范場理論熱化動力學的實驗模擬造成困難，因而還未在實驗上實現(xiàn)。為解決以往量子模擬器中相干調控的粒子數太少和無法保證規(guī)范對稱性約束的兩個主要問題，中國科大研究團隊開發(fā)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并實現(xiàn)了光晶格中原子的深度制冷，解決了量子模擬器溫度過高、缺陷過多的問題，實驗制備了近百個原子級別的規(guī)?；孔幽M器；首次實現(xiàn)了利用大規(guī)模量子模擬器對格點規(guī)范場理論量子相變過程的實驗模擬，驗證了過程中的規(guī)范不變性。在此基礎上，通過實驗和理論結合，團隊將系統(tǒng)制備到遠離平衡的初態(tài)，首次實驗研究了規(guī)范對稱性約束對量子多體系統(tǒng)熱化動力學的影響，并且觀測到具有相同守恒量的不同初態(tài)熱化到同一個平衡態(tài)的過程，驗證了熱化過程造成的量子多體系統(tǒng)初態(tài)信息的“丟失”，建立了規(guī)范場理論早期非平衡動力學與最終熱平衡態(tài)之間的聯(lián)系，在使用規(guī)模化的量子模擬器求解復雜物理問題上取得重要進展。據悉，團隊將進一步使用量子模擬的方法，研究具有更高空間維度的規(guī)范場理論模型，研究真空衰變、動態(tài)拓撲量子相變等物理難題。《科學》審稿人認為，該研究“為超冷