利用超冷原子量子模拟器，中国团队精确测定量子临界点！

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自然力具有对称性，物理学家将其体现在所谓的“规范场论（gauge theory）”中。这些理论在数学上非常优雅，但要将它们应用于其成分具有强烈相互作用的系统中，却极具挑战性。在离散晶格上进行计算可以减轻计算负担，但即使是这种方法也可能难以实现；另一种方法则是用量子力学描述相同的另一个更棘手的系统来模拟相关系统。

现在，中国科学技术大学的Han-Yi Wang和兰州大学、清华大学的合作者已经做到了这一点。研究小组利用一个由 19 个位点组成的光学晶格，模拟了基本规范场论中的大质量粒子行为。这些实验为更深入的计算开辟了道路。

8月1日，研究成果以“Interrelated Thermalization and Quantum Criticality in a Lattice Gauge Simulator”为题，发表在《物理评论快报》上。

规范场论和热化(thermalization)都是对现代量子科学和技术至关重要的课题。最近实现的格点规范理论（lattice gauge theory）原子量子模拟器为研究规理论中的热化提供了一个独特的机会，理论研究表明，量子热化可以作为量子相变的信号。
然而，由于缺乏对物质和规纳场进行局部操纵和探测的技术，实验研究在准确确定临界点和可控地探索热化动力学方面仍然是一个挑战。

被困在一维光学晶格中的原子可以模拟基本量子场论中的大质量粒子如何达到/无法达到热平衡。

研究小组的光学晶格由深浅交替的“阱(well)”组成，可以被超冷的铷-87 原子占据。通过调整各种参数，研究小组能够抑制单粒子跳跃(hopping)、鼓励粒子对跳跃，从而产生与大质量粒子的相互作用相匹配的结果，这种相互作用是由一维晶格版的规范场论（即施温格方程模型）所描述的。
建立系统后，研究人员在晶格中填充了具有上下交替自旋的基态原子——这是一种类似于反铁磁性的量子临界状态。然后，他们跟踪了该系统的热化过程。
与经典量子系统不同，封闭量子系统并不一定会在任意长的时间后达到最大熵态。正如预期的那样，在 USTC 实验中出现了停滞热化现象。然而，它与量子临界状态相关，这出乎意料。
实验团队认为，这一发现有助于阐明热化是如何在规范场论中发生的。

实验系统。(a) 超冷原子显微镜和制备的初始状态示意图；(b）一维光学晶格中玻色子的物理模型；(c) 伊辛量子相变。

绝热升温和相变。

淬火后的时间演变。

量子临界性。

这一实验研究报借助了“单址寻址(single-site addressing)”和原子数分辨探测能力，从平衡和非平衡热化两个角度对晶格规范场论中的量子临界点进行了实验研究。
论文中，实验团队表示：“我们精确地确定了量子临界点，并观察到Néel态（一种反铁磁基态）仅在临界机制中热化。这一结果体现了量子多体伤痕、量子临界和对称性破缺之间的相互作用。”

“这些实验结果证明了我们的超冷原子量子模拟器在定量方面的有效性，并证明了该模拟器是研究量规理论非平衡动力学的强大平台。”
“在不久的将来，当我们的系统规模扩大数倍时，它将超越现有能力和精度。这项工作开发的实验控制和探测能力可用于研究该系统中其他有趣的动力学现象：如弦的断裂、量子相之间的动力学转变等。”
参考链接：[1]https://physics.aps.org/articles/v16/s115[2]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.050401

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