科學家使用量子模擬器觀測規范理論中準粒子禁閉的微觀動力學行為

中國科學技術大學潘建偉、苑震生等與合作者，在超冷原子量子模擬實驗研究中取得重要進展。該團隊首次觀測到格點規范理論中的禁閉相與非禁閉相轉化的微觀動力學過程，為剖析復雜的量子多體現象提供了新的研究手段。近日，相關研究成果發表在《自然-物理學》（Nature Physics） 上。

禁閉是一類非常有趣的物理現象。其中，夸克禁閉為人們熟知。夸克是組成物質的基本粒子。夸克之間存在強相互作用，人們無法在自然界中觀測到單個的夸克。它們總是以多個捆綁在一起形成復合粒子的形式被觀測到。即便在高能粒子碰撞機中，人們幾乎無法改變夸克之間的相互作用，粒子碰撞碎片中的夸克瞬間就形成了新的復合粒子。類似地，人們在凝聚態體系中觀測到準粒子成對出現現象，通過量子調控手段可以改變準粒子間的相互作用，使得準粒子受控地處在禁閉或解禁閉狀態。一個物理體系中是否存在禁閉現象以及能否人為調控粒子間相互作用實現禁閉到解禁閉狀態之間的轉換，牽涉復雜的量子多體效應，理論上一般沒有解析方法求解，數值求解面臨挑戰。

近年來，超冷原子量子模擬器的出現為研究禁閉問題提供了新手段。2020年，中國科大研究團隊首次使用超冷原子光晶格量子模擬器建模了U(1)格點規范理論并驗證了相應的局域規范守恒特性，研究了該理論的非平衡熱化過程。進一步，研究U(1)格點規范理論中的禁閉-解禁閉相變問題面臨兩個重要困難，即理論上缺乏產生有效外電場的可行方案，實驗上缺乏產生和測控準粒子態的單格點原位調控技術。

在實驗中，該研究巧妙地設計了線性傾斜勢與超晶格勢阱結合的方案。在該條件下，將玻色-哈伯德模型映射為具有動態電場的U(1)量子鏈路模型，實驗模擬了具備動態外電場的量子電動力學規范理論。同時，研究開發了具備單格點及粒子數分辨的量子氣體顯微鏡，原位產生并實時觀測了粒子與反粒子對的微觀動力學，展示了U(1)格點規范理論中禁閉相和非禁閉相的轉變過程。

研究表明，超冷原子量子模擬方法為探索規范理論中的量子相變提供了全新視角，并有望在研究非阿貝爾格點規范理論、二維和三位格點規范模型的非平衡動力學等計算復雜度超越經典計算能力的物理問題中獲得更重要的應用。

研究工作得到國家自然科學基金委員會、科學技術部、中國科學院和安徽省的支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41567-024-02702-x