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規(guī)范場理論是現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)，如描述基本粒子相互作用的量子電動力學(xué)、標準模型等都是滿足特定群對稱性的規(guī)范場理論。隨著半個多世紀的發(fā)展，它在粒子物理學(xué)、宇宙學(xué)以及凝聚態(tài)物理學(xué)等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。由于其求解復(fù)雜度高，規(guī)范場理論體系中仍然有很多開放問題。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(jīng)過演化達到熱平衡就是一個備受關(guān)注并極具挑戰(zhàn)的問題。這一問題的解決，有助于人們理解高能物理中重核碰撞的問題，也將為現(xiàn)代宇宙學(xué)中大爆炸早期物質(zhì)的形成提供物理解釋。但是，使用經(jīng)典計算機求解復(fù)雜的規(guī)范場理論是一個公認的難題，量子模擬器為解決這一問題提供了新的路徑。

近年來，人們嘗試用離子阱、超冷原子氣體、Rydberg原子陣列和超導(dǎo)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(fù)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，這對格點規(guī)范場理論熱化動力學(xué)的實驗?zāi)M造成了困難，因而還未在實驗上實現(xiàn)。

為了解決以往的量子模擬器中相干調(diào)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，中國科大的研究團隊開發(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(diào)控和測量技術(shù)，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)?；孔幽M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?zāi)M，驗證了過程中的規(guī)范不變性[Nature587, 392 (2020)]。在以上研究的基礎(chǔ)上，通過實驗和理論結(jié)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(xué)的影響，并且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(xué)與最終熱平衡態(tài)之間的聯(lián)系，在使用規(guī)?；牧孔幽M器求解復(fù)雜物理問題的道路上取得了重要進展。

在上述工作的基礎(chǔ)上，該團隊將進一步使用量子模擬的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，研究真空衰變、動態(tài)拓撲量子相變等物理難題。

《科學(xué)》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(lǐng)域的發(fā)展做出了重要貢獻”、“代表了量子模擬研究領(lǐng)域的前沿。”

該研究工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中科院、教育部和安徽省等的支持。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl6277