用冷原子“算盘”来解方程：潘建伟团队研发量子模拟器获突破

我们知道，在设计建筑、飞机的时候，工程师们需要用计算机来进行各种计算和模拟。而如果我们要研究的是微观世界的“量子建筑”呢？

其中微观粒子复杂的变化和相互作用，远远超过了经典计算机的能力范围。最好，是用量子的方式来模拟量子问题。

这就是著名物理学家理查德·费曼在1980年代提出的量子计算机构想：“自然不是经典的，如果你想对自然进行模拟，那么你最好把计算机给量子化。”

11月19日，中国科学技术大学潘建伟、苑震生等与德国海德堡大学、意大利特伦托大学的合作者在《自然》杂志上发表论文，宣布在超冷原子量子计算和模拟研究中取得重要突破：他们开发了71个格点的超冷原子光晶格量子模拟器，对量子电动力学方程施温格模型（Schwinger Model）进行了成功模拟，通过操控束缚在其中的超冷原子，从实验上观测到了局域规范不变量，首次使用微观量子调控手段在量子多体系统中验证了描述电荷与电场关系的高斯定理，取得了利用规模化量子计算和量子模拟方法求解复杂物理问题的重要突破。

所谓量子模拟器，可以理解为一种简化版的量子计算机，可以解决一些特定的量子物理学问题。科学家们通过让很低温度的原子有秩序地排列起来模拟 “电荷”和“电场”的相互作用，从而求解出了重要的物理学方程。

为了让原子们乖乖配合 “表演”，这个冷原子研究团队已经付出了十多年的努力。

让原子们排队

今年6月，这个研究团队就曾在另一顶尖学术期刊《科学》上发表论文，“剧透”过精确操控冷原子们的秘密。

科幻电影《信条》带火了“熵”，即混乱度这个概念。通常情况下，原子们是会乱动的，不会听任人类的摆布。所有的量子物理学家都梦寐以求将原子们的热力学熵降下来，方便观测和操纵。

如何困住原子们？其实国际上是有一套成熟的方法的，那就是利用激光的束缚作用，把原子们囚禁在一个个光晶格上。不过，这样的系统温度还是很高，队伍也比较乱，有些格点上的原子跑出去了，有些格点上则是两个原子挤在一起。

为此，该团队开创了一种新型的冷却方法。他们利用两种特制的激光，把其中一部分原子变成超流体，这些超流体原子会迅速地吸取邻居们的熵。然后，再用激光把这些超流体原子排空，光晶格上就只留下了变得更冷的原子们。

经过这样的重重降温，他们将1万个铷-87原子冷却到了绝对零度附近，而每个原子携带的热力学熵只有0.0019 kB，比之前的方法降低了65倍，创造了世界纪录。

模拟复杂问题

这次发布的《自然》成果，是上述《科学》论文的后续，可以说是把这一张码得整整齐齐的冷原子“算盘”真正用了起来。

研究团队从晶格里选取了一个71格点×36 格点的区域，链长超过了之前所有类似工作所使用的量子多体体系。量子模拟器的规模越大，一些“副作用”的影响就会越小。

规范理论中的“电荷”和“电场”可以通过光晶格上粒子数的分居情况以及格点间的粒子数密度关联来表征。通过对系统进行微调，跟踪格点上的状态变化，研究人员对刻画电场、电荷关系的高斯定律进行了检测，发现对高斯定律的违背大约在~10%，处于误差范围之内。

《自然》审稿人认为这项工作“是量子模拟方法研究晶格规范场的一个重要的里程碑”，“迈出了模拟晶格规范场理论的真正一步：从实现量子模拟器的模块到对特定模型的完全模拟”。

要知道，规范场理论对于物理学大厦而言有框架性的意义。描述带电粒子和电磁场相互作用规律的量子电动力学（QED）是第一个被广泛认可的规范场。自然界一共有四大基本力，通过杨振宁、米尔斯、格拉肖、温伯格、萨纳姆等物理学家的努力，电磁力、弱相互作用力和强相互作用力都被纳入这个框架，只剩下引力。

规范理论相关问题的复杂程度，正如本文开头所述，是经典计算机难以胜任的。

我们不禁期待，当科学家们可以用越来越多的冷原子来模拟更复杂的相互作用，人类对于物理世界会获得怎样的新洞察。