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用冷原子“算盤”來解方程:潘建偉團隊研發量子模擬器獲突破

來源:澎湃新聞 2020-11-20 07:55   菜鳥集運客服

我們知道,在設計建築、飛機的時候,工程師們需要用計算機來進行各種計算和模擬。而如果我們要研究的是微觀世界的“量子建築”呢?

其中微觀粒子複雜的變化和相互作用,遠遠超過了經典計算機的能力範圍。最好,是用量子的方式來模擬量子問題。

這就是著名物理學家理查德·費曼在1980年代提出的量子計算機構想:“自然不是經典的,如果你想對自然進行模擬,那麼你最好把計算機給量子化。”

11月19日,中國科學技術大學潘建偉、苑震生等與德國海德堡大學、意大利特倫託大學的合作者在《自然》雜誌上發表論文,宣佈在超冷原子量子計算和模擬研究中取得重要突破:他們開發了71個格點的超冷原子光晶格量子模擬器,對量子電動力學方程施温格模型(Schwinger Model)進行了成功模擬,通過操控束縛在其中的超冷原子,從實驗上觀測到了局域規範不變量,首次使用微觀量子調控手段在量子多體系統中驗證了描述電荷與電場關係的高斯定理,取得了利用規模化量子計算和量子模擬方法求解複雜物理問題的重要突破。

所謂量子模擬器,可以理解為一種簡化版的量子計算機,可以解決一些特定的量子物理學問題。科學家們通過讓很低温度的原子有秩序地排列起來模擬 “電荷”和“電場”的相互作用,從而求解出了重要的物理學方程。

為了讓原子們乖乖配合 “表演”,這個冷原子研究團隊已經付出了十多年的努力。

讓原子們排隊

今年6月,這個研究團隊就曾在另一頂尖學術期刊《科學》上發表論文,“劇透”過精確操控冷原子們的祕密。

科幻電影《信條》帶火了“熵”,即混亂度這個概念。通常情況下,原子們是會亂動的,不會聽任人類的擺佈。所有的量子物理學家都夢寐以求將原子們的熱力學熵降下來,方便觀測和操縱。

如何困住原子們?其實國際上是有一套成熟的方法的,那就是利用激光的束縛作用,把原子們囚禁在一個個光晶格上。不過,這樣的系統温度還是很高,隊伍也比較亂,有些格點上的原子跑出去了,有些格點上則是兩個原子擠在一起。

為此,該團隊開創了一種新型的冷卻方法。他們利用兩種特製的激光,把其中一部分原子變成超流體,這些超流體原子會迅速地吸取鄰居們的熵。然後,再用激光把這些超流體原子排空,光晶格上就只留下了變得更冷的原子們。

經過這樣的重重降温,他們將1萬個銣-87原子冷卻到了絕對零度附近,而每個原子攜帶的熱力學熵只有0.0019 kB,比之前的方法降低了65倍,創造了世界紀錄。

模擬複雜問題

這次發佈的《自然》成果,是上述《科學》論文的後續,可以説是把這一張碼得整整齊齊的冷原子“算盤”真正用了起來。

研究團隊從晶格里選取了一個71格點×36 格點的區域,鏈長超過了之前所有類似工作所使用的量子多體體系。量子模擬器的規模越大,一些“副作用”的影響就會越小。

規範理論中的“電荷”和“電場”可以通過光晶格上粒子數的分居情況以及格點間的粒子數密度關聯來表徵。通過對系統進行微調,跟蹤格點上的狀態變化,研究人員對刻畫電場、電荷關係的高斯定律進行了檢測,發現對高斯定律的違背大約在~10%,處於誤差範圍之內。

《自然》審稿人認為這項工作“是量子模擬方法研究晶格規範場的一個重要的里程碑”,“邁出了模擬晶格規範場理論的真正一步:從實現量子模擬器的模塊到對特定模型的完全模擬”。

要知道,規範場理論對於物理學大廈而言有框架性的意義。描述帶電粒子和電磁場相互作用規律的量子電動力學(QED)是第一個被廣泛認可的規範場。自然界一共有四大基本力,通過楊振寧、米爾斯、格拉肖、温伯格、薩納姆等物理學家的努力,電磁力、弱相互作用力和強相互作用力都被納入這個框架,只剩下引力。

規範理論相關問題的複雜程度,正如本文開頭所述,是經典計算機難以勝任的。

我們不禁期待,當科學家們可以用越來越多的冷原子來模擬更復雜的相互作用,人類對於物理世界會獲得怎樣的新洞察。(本文來自澎湃新聞,更多原創資訊請下載“澎湃新聞”APP)

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