我們知道，在設計建筑、飛機的時候，工程師們需要用計算機來進行各種計算和模擬。而如果我們要研究的是微觀世界的“量子建筑”呢？

其中微觀粒子復雜的變化和相互作用，遠遠超過了經典計算機的能力范圍。最好，是用量子的方式來模擬量子問題。

這就是著名物理學家理查德·費曼在1980年代提出的量子計算機構想：“自然不是經典的，如果你想對自然進行模擬，那么你最好把計算機給量子化。”

11月19日，中國科學技術大學潘建偉、苑震生等與德國海德堡大學、意大利特倫托大學的合作者在《自然》雜志上發(fā)表論文，宣布在超冷原子量子計算和模擬研究中取得重要突破：他們開發(fā)了71個格點的超冷原子光晶格量子模擬器，對量子電動力學方程施溫格模型（Schwinger Model）進行了成功模擬，通過操控束縛在其中的超冷原子，從實驗上觀測到了局域規(guī)范不變量，首次使用微觀量子調控手段在量子多體系統(tǒng)中驗證了描述電荷與電場關系的高斯定理，取得了利用規(guī)模化量子計算和量子模擬方法求解復雜物理問題的重要突破。

所謂量子模擬器，可以理解為一種簡化版的量子計算機，可以解決一些特定的量子物理學問題?？茖W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”的相互作用，從而求解出了重要的物理學方程。

為了讓原子們乖乖配合 “表演”，這個冷原子研究團隊已經付出了十多年的努力。

讓原子們排隊

今年6月，這個研究團隊就曾在另一頂尖學術期刊《科學》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”，即混亂度這個概念。通常情況下，原子們是會亂動的，不會聽任人類的擺布。所有的量子物理學家都夢寐以求將原子們的熱力學熵降下來，方便觀測和操縱。

如何困住原子們？其實國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個光晶格上。不過，這樣的系統(tǒng)溫度還是很高，隊伍也比較亂，有些格點上的原子跑出去了，有些格點上則是兩個原子擠在一起。

為此，該團隊開創(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。

經過這樣的重重降溫，他們將1萬個銣-87原子冷卻到了絕對零度附近，而每個原子攜帶的熱力學熵只有0.0019 kB，比之前的方法降低了65倍，創(chuàng)造了世界紀錄。

模擬復雜問題

這次發(fā)布的《自然》成果，是上述《科學》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。

研究團隊從晶格里選取了一個71格點×36 格點的區(qū)域，鏈長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”的影響就會越小。

規(guī)范理論中的“電荷”和“電場”可以通過光晶格上粒子數的分居情況以及格點間的粒子數密度關聯(lián)來表征。通過對系統(tǒng)進行微調，跟蹤格點上的狀態(tài)變化，研究人員對刻畫電場、電荷關系的高斯定律進行了檢測，發(fā)現對高斯定律的違背大約在~10%，處于誤差范圍之內。

《自然》審稿人認為這項工作“是量子模擬方法研究晶格規(guī)范場的一個重要的里程碑”，“邁出了模擬晶格規(guī)范場理論的真正一步：從實現量子模擬器的模塊到對特定模型的完全模擬”。

要知道，規(guī)范場理論對于物理學大廈而言有框架性的意義。描述帶電粒子和電磁場相互作用規(guī)律的量子電動力學（QED）是第一個被廣泛認可的規(guī)范場。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、薩納姆等物理學家的努力，電磁力、弱相互作用力和強相互作用力都被納入這個框架，只剩下引力。

規(guī)范理論相關問題的復雜程度，正如本文開頭所述，是經典計算機難以勝任的。

我們不禁期待，當科學家們可以用越來越多的冷原子來模擬更復雜的相互作用，人類對于物理世界會獲得怎樣的新洞察。