中國科大潘建偉院士等在超冷原子量子模擬研究獲進展

　　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研究人員合作，在超冷原子量子模擬研究中取得進展。科研人員使用超冷原子量子模擬器，對格點規范場理論中非平衡態過渡到平衡態的熱化動力學進行了模擬，首次在實驗上證實了規范對稱性約束下量子多體熱化導致的初態信息“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。相關研究成果發表在《科學》上。

　　規范場理論是現代物理學的基礎，如描述基本粒子相互作用的量子電動力學、標準模型等是滿足特定群對稱性的規范場理論，在粒子物理學、宇宙學以及凝聚態物理學等領域得到廣泛應用。由于其求解復雜度高，規范場理論體系中仍有許多開放問題。其中，規范場理論描述的物理系統是否可以從遠離平衡態經過演化達到熱平衡備受關注。該問題的解決，有助于理解高能物理中重核碰撞的問題，也將為現代宇宙學中大爆炸早期物質的形成提供了物理解釋。但是，使用經典計算機求解復雜的規范場理論是公認難題，量子模擬器為解決該問題提供了新路徑。

　　近年來，科學家嘗試用離子阱、超冷原子氣體、Rydberg原子陣列和超導量子比特等體系對格點規范場理論開展量子模擬研究。然而，由于格點規范理論中相互作用形式復雜，并要求物理系統始終處在局域規范對稱性約束條件下，對格點規范場理論熱化動力學的實驗模擬造成了困難，因而還未在實驗上實現。

　　為解決量子模擬器中相干調控的粒子數太少和無法保證規范對稱性約束的兩個主要問題，中國科大科研人員開發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模化量子模擬器【Science 369, 550 (2020)】；首次實現了利用大規模量子模擬器對格點規范場理論量子相變過程的實驗模擬，驗證了過程中的規范不變性【Nature 587, 392 (2020)】。在上述研究基礎上，通過實驗和理論結合，該團隊將系統制備到遠離平衡的初態，首次實驗研究了規范對稱性約束對量子多體系統熱化動力學的影響，并觀測到具有相同守恒量的不同初態熱化到同一個平衡態的過程，驗證了熱化過程造成的量子多體系統初態信息的“丟失”，建立了規范場理論早期非平衡動力學與最終熱平衡態之間的聯系，在使用規模化的量子模擬器求解復雜物理問題的道路上取得了重要進展。

　　未來，該團隊將進一步使用量子模擬方法研究具有其他群對稱性的、更高空間維度的規范場理論模型，以及真空衰變、動態拓撲量子相變等物理難題。《科學》雜志審稿人對此給予高度評價，認為該研究為超冷原子模擬格點規范場理論這一領域的發展做出了重要貢獻，代表了量子模擬研究領域的前沿。研究工作得到科技部、國家自然科學基金委、中科院、教育部和安徽省等的支持。