中国学者在量子模拟上取得新进展

8月11日11日从中国科学技术大学获悉，该校潘建伟、苑震生等与清华大学翟荟、兰州大学么志远等合作，使用自主开发的超冷原子量子模拟器，在量子模拟上取得新进展。

该项研究成果近日以“编辑推荐”的形式发表在国际权威学术期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。

规范理论和统计力学是物理学的两大重要基础理论。近年来，超冷原子量子模拟器的出现为同时研究规范理论和统计物理提供了理想的实验平台。规范理论所描述的物理体系能否通过热化过程到达平衡态？这些问题的解决有助于回答宇宙早期演化等这类远离平衡态的复杂物理问题。

2020年，中国科大的研究团队开发了71个格点的超冷原子光晶格量子模拟器。2022年，研究团队对格点规范场理论中非平衡态过渡到平衡态的热化动力学进行了模拟，首次在实验上证实了规范对称性约束下量子多体热化导致的初态信息“丢失”。

近期，本工作的合作者翟荟和么志远等通过理论研究指出，在此类格点规范模型中，量子热化和量子相变之间存在关联，预言系统只有在量子相变点附近才能达到完全的热化。进一步观测格点规范理论的量子热化和量子相变之间的关系，对之前的实验能力提出了新的挑战：如何在单格点精度原位地、可区分原子数地操控和探测多体量子态。

潘建伟、苑震生团队在已有的超冷原子量子模拟器基础上，开发了单格点精度、粒子数可分辨的原子操作和检测技术。基于此，制备和探测任意原子构型的多原子量子态，并在满足规范对称性约束下，追踪多体量子态的动力学演化过程。

在该工作中，他们在实验中制备了特殊原子构型的初态，利用绝热演化的方法研究了满足规范对称性约束的量子相变过程，通过有限尺寸标度理论首次在实验中精确地确定了相变点。同时，他们研究了同一构型初态在远离平衡条件时的退火动力学过程，揭示了具备规范对称性的多体系统处于量子相变临界点附近时易于热化到平衡态的规律。