中科大超冷原子量子模擬獲重要進(jìn)展

中科大超冷原子量子模擬獲重要進(jìn)展格點(diǎn)規(guī)范場(chǎng)理論熱化問(wèn)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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、苑震生等與德國(guó)海德堡大學(xué)、奧地利因斯布魯克大學(xué)、意大利特倫托大學(xué)的相關(guān)研究人員合作，使用超冷原子量子模擬器，首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了規(guī)范對(duì)稱性約束下量子多體熱化導(dǎo)致的初態(tài)信息“丟失”，取得了利用量子模擬方法求解復(fù)雜物理問(wèn)題的重要進(jìn)展。北京時(shí)間7月15日，該成果發(fā)表于《科學(xué)》。規(guī)范場(chǎng)理論是現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)，在粒子物理學(xué)、宇宙學(xué)以及凝聚態(tài)物理學(xué)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。由于其求解復(fù)雜度高，規(guī)范場(chǎng)理論體系中仍有很多開(kāi)放問(wèn)題。其中，規(guī)范場(chǎng)理論描述的物理系統(tǒng)是否可以從遠(yuǎn)離平衡態(tài)經(jīng)過(guò)演化達(dá)到熱平衡，就是一個(gè)備受關(guān)注并極具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。這一問(wèn)題的解決，有助于人們理解高能物理中重核碰撞的問(wèn)題，并將為現(xiàn)代宇宙學(xué)中大爆炸早期物質(zhì)的形成提供物理解釋。使用經(jīng)典計(jì)算機(jī)求解復(fù)雜的規(guī)范場(chǎng)理論是一個(gè)公認(rèn)的難題，量子模擬器為解決這一問(wèn)題提供了新路徑。然而，由于格點(diǎn)規(guī)范理論中相互作用形式復(fù)雜，并要求物理系統(tǒng)始終處在局域規(guī)范對(duì)稱性約束條件下，這對(duì)格點(diǎn)規(guī)范場(chǎng)理論熱化動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M造成困難，因而還未在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)。為解決以往量子模擬器中相干調(diào)控的粒子數(shù)太少和無(wú)法保證規(guī)范對(duì)稱性約束的兩個(gè)主要問(wèn)題，中國(guó)科大研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了獨(dú)特的自旋依賴超晶格、顯微鏡吸收成像、粒子數(shù)分辨探測(cè)等量子調(diào)控和測(cè)量技術(shù)，在超冷原子量子模擬器中提出并實(shí)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(guò)高、缺陷過(guò)多的問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)制備了近百個(gè)原子級(jí)別的規(guī)?；孔幽M器；首次實(shí)現(xiàn)了利用大規(guī)模量子模擬器對(duì)格點(diǎn)規(guī)范場(chǎng)理論量子相變過(guò)程的實(shí)驗(yàn)?zāi)M，驗(yàn)證了過(guò)程中的規(guī)范不變性。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)合，團(tuán)隊(duì)將系統(tǒng)制備到遠(yuǎn)離平衡的初態(tài)，首次實(shí)驗(yàn)研究了規(guī)范對(duì)稱性約束對(duì)量子多體系統(tǒng)熱化動(dòng)力學(xué)的影響，并且觀測(cè)到具有相同守恒量的不同初態(tài)熱化到同一個(gè)平衡態(tài)的過(guò)程，驗(yàn)證了熱化過(guò)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(chǎng)理論早期非平衡動(dòng)力學(xué)與最終熱平衡態(tài)之間的聯(lián)系，在使用規(guī)?；牧孔幽M器求解復(fù)雜物理問(wèn)題上取得重要進(jìn)展。據(jù)悉，團(tuán)隊(duì)將進(jìn)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(chǎng)理論模型，研究真空衰變、動(dòng)態(tài)拓?fù)淞孔酉嘧兊任锢黼y題?！犊茖W(xué)》審稿人認(rèn)為，該研究“為超冷