金奇奐研究組實現囚禁離子系統(tǒng)中量子場論的量子模擬
金奇奐研究組實現囚禁離子系統(tǒng)中量子場論的量子模擬
2018年01月17日 瀏覽次數: 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)中實現了一個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)表于國際權威學術期刊《自然通訊》（Nature Communications），論文題為《通過交換波色子的費米子——反費米子散射過程在囚禁離子中的量子模擬實驗》（Experimental quantum simulation of fermion-antifermion scattering via boson exchange in a trapped ion）。
圖 1：費米子-——反費米子散射過程和該過程與囚禁鐿離子系統(tǒng)的映射關系。(a) 費米子、反費米子和波色子之間相互作用的費曼圖。(b) 在囚禁鐿離子系統(tǒng)中實現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)進行量子模擬的研究領域飛速發(fā)展，量子模擬器超越經典計算能力已為時不遠。人們期待這些量子模擬設備能夠執(zhí)行復雜的計算任務，比如量子場論或量子化學中的復雜計算。量子場論是對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。分析該理論最著名的途徑之一是利用費曼圖進行微擾展開，即所謂戴森序列（Dyson series）。然而，在某些參數區(qū)域，比如耦合強度超過系統(tǒng)典型能量尺度的區(qū)域，不能用微擾理論進行研究。相較之下，量子模擬器有可能成為比經典計算機更高效地模擬量子場論的強有力的工具。
此項工作實驗演示了如何在囚禁離子系統(tǒng)中模擬量子場論中的現象，比如粒子的產生和湮滅以及自相互作用過程等。該實驗實現了原理驗證性的量子模擬實驗，演示了以波色模式為媒介的費米子——反費米子散射過程。實驗利用離子振動模式來編碼模擬的波色模式，同時將費米模式的狀態(tài)映射到離子的4個電子能級中。這是首個利用離子的不同自由度同時模擬波色子和費米子的實驗。此外，與標準的經典或量子計算途徑不同，該實驗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)域的精確動力學。即使對于擁有許多量子比特的量子計算機來說，這樣的計算也是十分困難的。該實驗打開了通向量子場論的可擴展數字——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果。該結果展示了強相互作用下費米子和反費米子的湮滅過程，同時自作用和對產生過程都對量子動力學具有重要影響。
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。同等貢獻第一作者是交叉信息院已畢業(yè)博士生張翔和2013級博士生張寬，他們和2012級博士生沈楊超、2014級博士生張帥寧一起完成了實驗。助理研究員張靜寧、南方科技大學翁文康教授、巴斯克地區(qū)大學（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。此項研究得到中國國家重點基礎研究發(fā)展計劃和國家自然科學基金的支持。
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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