中國科學技術大學潘建偉、苑震生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研究人員合作，在超冷原子量子模擬研究中取得進展。科研人員使用超冷原子量子模擬器，對格點規(guī)范場理論中非平衡態(tài)過渡到平衡態(tài)的熱化動力學進行了模擬，首次在實驗上證實了規(guī)范對稱性約束下量子多體熱化導致的初態(tài)信息“丟失”，取得了利用量子模擬方法求解復雜物理問題的重要進展。相關研究成果發(fā)表在《科學》上。

規(guī)范場理論是現(xiàn)代物理學的基礎，如描述基本粒子相互作用的量子電動力學、標準模型等是滿足特定群對稱性的規(guī)范場理論，在粒子物理學、宇宙學以及凝聚態(tài)物理學等領域得到廣泛應用。由于其求解復雜度高，規(guī)范場理論體系中仍有許多開放問題。其中，規(guī)范場理論描述的物理系統(tǒng)是否可以從遠離平衡態(tài)經過演化達到熱平衡備受關注。該問題的解決，有助于理解高能物理中重核碰撞的問題，也將為現(xiàn)代宇宙學中大爆炸早期物質的形成提供了物理解釋。但是，使用經典計算機求解復雜的規(guī)范場理論是公認難題，量子模擬器為解決該問題提供了新路徑。

近年來，科學家嘗試用離子阱、超冷原子氣體、Rydberg原子陣列和超導量子比特等體系對格點規(guī)范場理論開展量子模擬研究。然而，由于格點規(guī)范理論中相互作用形式復雜，并要求物理系統(tǒng)始終處在局域規(guī)范對稱性約束條件下，對格點規(guī)范場理論熱化動力學的實驗模擬造成了困難，因而還未在實驗上實現(xiàn)。

為解決量子模擬器中相干調控的粒子數(shù)太少和無法保證規(guī)范對稱性約束的兩個主要問題，中國科大科研人員開發(fā)了獨特的自旋依賴超晶格、顯微鏡吸收成像、粒子數(shù)分辨探測等量子調控和測量技術，在超冷原子量子模擬器中提出并實現(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，實驗制備了近百個原子級別的規(guī)模化量子模擬器【Science 369, 550 (2020)】;首次實現(xiàn)了利用大規(guī)模量子模擬器對格點規(guī)范場理論量子相變過程的實驗模擬，驗證了過程中的規(guī)范不變性【Nature 587, 392 (2020)】。在上述研究基礎上，通過實驗和理論結合，該團隊將系統(tǒng)制備到遠離平衡的初態(tài)，首次實驗研究了規(guī)范對稱性約束對量子多體系統(tǒng)熱化動力學的影響，并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雜物理問題的道路上取得了重要進展。

未來，該團隊將進一步使用量子模擬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)拓撲量子相變等物理難題?！犊茖W》雜志審稿人對此給予高度評價，認為該研究為超冷原子模擬格點規(guī)范場理論這一領域的發(fā)展做出了重要貢獻，代表了量子模擬研究領域的前沿。研究工作得到科技部、國家自然科學基金委、中科院、教育部和安徽省等的支持。