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本報(bào)訊（見習(xí)記者王敏）中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士、苑震生教授等與德國海德堡大學(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)范對稱性約束下量子多體熱化導(dǎo)致的初態(tài)信息“丟失”，在利用量子模擬方法求解復(fù)雜物理問題上取得了重要進(jìn)展。該成果7月15日發(fā)表于《科學(xué)》。
規(guī)范場理論是現(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)域獲得了廣泛應(yīng)用。
由于求解復(fù)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(yuǎn)離平衡態(tài)經(jīng)過演化達(dá)到熱平衡，就是一個備受關(guān)注且極具挑戰(zhàn)性的問題。該問題的解決，將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(xué)中大爆炸早期物質(zhì)的形成提供物理解釋。
但使用經(jīng)典計(jì)算機(jī)求解復(fù)雜的規(guī)范場理論是一個公認(rèn)的難題，量子模擬器為解決這一問題提供了新路徑，但其還未在實(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)太少和無法保證規(guī)范對稱性約束兩個主要問題，中國科大研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了獨(dú)特的自旋依賴超晶格、顯微鏡吸收成像、粒子數(shù)分辨探測等量子調(diào)控和測量技術(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高缺陷過多的問題，實(shí)驗(yàn)制備了近百個原子級別的規(guī)?；孔幽M器；首次實(shí)現(xiàn)了利用大規(guī)模量子模擬器對格點(diǎn)規(guī)范場理論量子相變過程的實(shí)驗(yàn)?zāi)M，驗(yàn)證了過程中的規(guī)范不變性。
在此基礎(chǔ)上，通過實(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)范對稱性約束對量子多體系統(tǒng)熱化動力學(xué)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(yàn)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(xué)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(fù)雜物理問題上取得重要進(jìn)展。
團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步使用量子模擬的方法，研究具有其他群對稱性的、更高空間維度的規(guī)范場理論模型，以及真空衰變、動態(tài)拓?fù)淞孔酉嘧兊任锢黼y題。
《科學(xué)》審稿人認(rèn)為，該研究“為超冷原子模擬格點(diǎn)規(guī)范場理論這一領(lǐng)域的發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)”“代表了量子模擬研究領(lǐng)域的前沿。”
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1126/science.abl6277
《中國科學(xué)報(bào)》 (2022-07-15 第1版 要聞)標(biāo)簽：
