量子模擬求解格點規范場理論熱化問題

中國科學技術大學潘建偉院士、苑震生教授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范對稱性約束下量子多體熱化導致的初態信息“丟失”，在利用量子模擬方法求解復雜物理問題上取得了重要進展。該成果7月15日發表于《科學》。

規范場理論是現代物理學的基礎，在粒子物理學、宇宙學以及凝聚態物理學等領域獲得了廣泛應用。

由于求解復雜度高，規范場理論體系中仍有很多開放問題。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，就是一個備受關注且極具挑戰性的問題。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，并將為現代宇宙學中大爆炸早期物質的形成提供物理解釋。

但使用經典計算機求解復雜的規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，但其還未在實驗上實現。

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范對稱性約束兩個主要問題，中國科大研究團隊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；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。

在此基礎上，通過實驗和理論結合，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，并且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上取得重要進展。

團隊將進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》審稿人認為，該研究“為超冷原子模擬格點規范場理論這一領域的發展作出了重要貢獻”“代表了量子模擬研究領域的前沿。”