我們知道，在設(shè)計(jì)建筑、飛機(jī)的時(shí)候，工程師們需要用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行各種計(jì)算和模擬。而如果我們要研究的是微觀世界的“量子建筑”呢？

其中微觀粒子復(fù)雜的變化和相互作用，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了經(jīng)典計(jì)算機(jī)的能力范圍。最好，是用量子的方式來模擬量子問題。

這就是著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼在1980年代提出的量子計(jì)算機(jī)構(gòu)想：“自然不是經(jīng)典的，如果你想對(duì)自然進(jìn)行模擬，那么你最好把計(jì)算機(jī)給量子化。”

11月19日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、苑震生等與德國(guó)海德堡大學(xué)、意大利特倫托大學(xué)的合作者在《自然》雜志上發(fā)表論文，宣布在超冷原子量子計(jì)算和模擬研究中取得重要突破：他們開發(fā)了71個(gè)格點(diǎn)的超冷原子光晶格量子模擬器，對(duì)量子電動(dòng)力學(xué)方程施溫格模型（Schwinger Model）進(jìn)行了成功模擬，通過操控束縛在其中的超冷原子，從實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到了局域規(guī)范不變量，首次使用微觀量子調(diào)控手段在量子多體系統(tǒng)中驗(yàn)證了描述電荷與電場(chǎng)關(guān)系的高斯定理，取得了利用規(guī)?；孔佑?jì)算和量子模擬方法求解復(fù)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(jiǎn)化版的量子計(jì)算機(jī)，可以解決一些特定的量子物理學(xué)問題?？茖W(xué)家們通過讓很低溫度的原子有秩序地排列起來模擬 “電荷”和“電場(chǎng)”的相互作用，從而求解出了重要的物理學(xué)方程。

為了讓原子們乖乖配合 “表演”，這個(gè)冷原子研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)付出了十多年的努力。

讓原子們排隊(duì)

今年6月，這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)就曾在另一頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上發(fā)表論文，“劇透”過精確操控冷原子們的秘密。

科幻電影《信條》帶火了“熵”，即混亂度這個(gè)概念。通常情況下，原子們是會(huì)亂動(dòng)的，不會(huì)聽任人類的擺布。所有的量子物理學(xué)家都?jí)裘乱郧髮⒃觽兊臒崃W(xué)熵降下來，方便觀測(cè)和操縱。

如何困住原子們？其實(shí)國(guó)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(gè)個(gè)光晶格上。不過，這樣的系統(tǒng)溫度還是很高，隊(duì)伍也比較亂，有些格點(diǎn)上的原子跑出去了，有些格點(diǎn)上則是兩個(gè)原子擠在一起。

為此，該團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)了一種新型的冷卻方法。他們利用兩種特制的激光，把其中一部分原子變成超流體，這些超流體原子會(huì)迅速地吸取鄰居們的熵。然后，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(jīng)過這樣的重重降溫，他們將1萬個(gè)銣-87原子冷卻到了絕對(duì)零度附近，而每個(gè)原子攜帶的熱力學(xué)熵只有0.0019 kB，比之前的方法降低了65倍，創(chuàng)造了世界紀(jì)錄。

模擬復(fù)雜問題

這次發(fā)布的《自然》成果，是上述《科學(xué)》論文的后續(xù)，可以說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(tuán)隊(duì)從晶格里選取了一個(gè)71格點(diǎn)×36 格點(diǎn)的區(qū)域，鏈長(zhǎng)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(guī)模越大，一些“副作用”的影響就會(huì)越小。

規(guī)范理論中的“電荷”和“電場(chǎng)”可以通過光晶格上粒子數(shù)的分居情況以及格點(diǎn)間的粒子數(shù)密度關(guān)聯(lián)來表征。通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行微調(diào)，跟蹤格點(diǎn)上的狀態(tài)變化，研究人員對(duì)刻畫電場(chǎng)、電荷關(guān)系的高斯定律進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)對(duì)高斯定律的違背大約在~10%，處于誤差范圍之內(nèi)。

《自然》審稿人認(rèn)為這項(xiàng)工作“是量子模擬方法研究晶格規(guī)范場(chǎng)的一個(gè)重要的里程碑”，“邁出了模擬晶格規(guī)范場(chǎng)理論的真正一步：從實(shí)現(xiàn)量子模擬器的模塊到對(duì)特定模型的完全模擬”。

要知道，規(guī)范場(chǎng)理論對(duì)于物理學(xué)大廈而言有框架性的意義。描述帶電粒子和電磁場(chǎng)相互作用規(guī)律的量子電動(dòng)力學(xué)（QED）是第一個(gè)被廣泛認(rèn)可的規(guī)范場(chǎng)。自然界一共有四大基本力，通過楊振寧、米爾斯、格拉肖、溫伯格、薩納姆等物理學(xué)家的努力，電磁力、弱相互作用力和強(qiáng)相互作用力都被納入這個(gè)框架，只剩下引力。

規(guī)范理論相關(guān)問題的復(fù)雜程度，正如本文開頭所述，是經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以勝任的。

我們不禁期待，當(dāng)科學(xué)家們可以用越來越多的冷原子來模擬更復(fù)雜的相互作用，人類對(duì)于物理世界會(huì)獲得怎樣的新洞察。