金奇奐研究組實(shí)現(xiàn)囚禁離子系統(tǒng)中量子場論的量子模擬
金奇奐研究組實(shí)現(xiàn)囚禁離子系統(tǒng)中量子場論的量子模擬
2018年01月17日 瀏覽次數(shù): 0
交叉信息院量子信息中心金奇奐研究組在離子阱系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基本量子場論模型的量子模擬。該工作于2018年1月15日發(fā)表于國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然通訊》（Nature Communications），論文題為《通過交換波色子的費(fèi)米子——反費(fèi)米子散射過程在囚禁離子中的量子模擬實(shí)驗(yàn)》（Experimental quantum simulation of fermion-antifermion scattering via boson exchange in a trapped ion）。
圖 1：費(fèi)米子-——反費(fèi)米子散射過程和該過程與囚禁鐿離子系統(tǒng)的映射關(guān)系。(a) 費(fèi)米子、反費(fèi)米子和波色子之間相互作用的費(fèi)曼圖。(b) 在囚禁鐿離子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)該相互作用的哈密頓量涉及的編碼和操作。
利用可控量子系統(tǒng)進(jìn)行量子模擬的研究領(lǐng)域飛速發(fā)展，量子模擬器超越經(jīng)典計(jì)算能力已為時(shí)不遠(yuǎn)。人們期待這些量子模擬設(shè)備能夠執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)，比如量子場論或量子化學(xué)中的復(fù)雜計(jì)算。量子場論是對(duì)物理世界最成功的描述之一，其適用范圍從基本粒子到凝聚態(tài)物質(zhì)。分析該理論最著名的途徑之一是利用費(fèi)曼圖進(jìn)行微擾展開，即所謂戴森序列（Dyson series）。然而，在某些參數(shù)區(qū)域，比如耦合強(qiáng)度超過系統(tǒng)典型能量尺度的區(qū)域，不能用微擾理論進(jìn)行研究。相較之下，量子模擬器有可能成為比經(jīng)典計(jì)算機(jī)更高效地模擬量子場論的強(qiáng)有力的工具。
此項(xiàng)工作實(shí)驗(yàn)演示了如何在囚禁離子系統(tǒng)中模擬量子場論中的現(xiàn)象，比如粒子的產(chǎn)生和湮滅以及自相互作用過程等。該實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了原理驗(yàn)證性的量子模擬實(shí)驗(yàn)，演示了以波色模式為媒介的費(fèi)米子——反費(fèi)米子散射過程。實(shí)驗(yàn)利用離子振動(dòng)模式來編碼模擬的波色模式，同時(shí)將費(fèi)米模式的狀態(tài)映射到離子的4個(gè)電子能級(jí)中。這是首個(gè)利用離子的不同自由度同時(shí)模擬波色子和費(fèi)米子的實(shí)驗(yàn)。此外，與標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)典或量子計(jì)算途徑不同，該實(shí)驗(yàn)的方法不局限于微擾區(qū)域，而是可以觀測到深入非微擾區(qū)域的精確動(dòng)力學(xué)。即使對(duì)于擁有許多量子比特的量子計(jì)算機(jī)來說，這樣的計(jì)算也是十分困難的。該實(shí)驗(yàn)打開了通向量子場論的可擴(kuò)展數(shù)字——模擬混合量子模擬的大門。
圖 2：量子場論的囚禁離子模擬結(jié)果。該結(jié)果展示了強(qiáng)相互作用下費(fèi)米子和反費(fèi)米子的湮滅過程，同時(shí)自作用和對(duì)產(chǎn)生過程都對(duì)量子動(dòng)力學(xué)具有重要影響。
論文通訊作者是交叉信息院助理研究員張靜寧和長聘副教授金奇奐。同等貢獻(xiàn)第一作者是交叉信息院已畢業(yè)博士生張翔和2013級(jí)博士生張寬，他們和2012級(jí)博士生沈楊超、2014級(jí)博士生張帥寧一起完成了實(shí)驗(yàn)。助理研究員張靜寧、南方科技大學(xué)翁文康教授、巴斯克地區(qū)大學(xué)（University of the Basque Country）的尤倫·佩德納萊斯（Julen Pedernales）博士、喬治·卡薩諾瓦（Jorge Casanova）博士、盧卡斯·拉馬塔（Lucas Lamata）博士和恩里克·索拉諾（Enrique Solano）教授為該工作提供理論支持。此項(xiàng)研究得到中國國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金的支持。
論文全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-017-02507-y
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（文/張靜寧）
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