[论文解读] Observation of gauge invariance in a 71-site quantum simulator

Bing Yang, Hui Sun+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2020

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 8

一句话总结

本研究通过超冷玻色子原子在光子超晶格中的71位量子模拟器，首次实验观测到规范不变性，实现了扩展的U(1)格点规范场论。通过精确调节模型参数并测量关联原子占据数，研究人员直接验证了高斯定律，首次在大规模多体量子系统中确认了局域规范对称性。

ABSTRACT

The modern description of elementary particles is built on gauge theories. Such theories implement fundamental laws of physics by local symmetry constraints, such as Gauss's law in the interplay of charged matter and electromagnetic fields. Solving gauge theories by classical computers is an extremely arduous task, which has stimulated a vigorous effort to simulate gauge-theory dynamics in microscopically engineered quantum devices. Previous achievements used mappings onto effective models to integrate out either matter or electric fields, or were limited to very small systems. The essential gauge symmetry has not been observed experimentally. Here, we report the quantum simulation of an extended U(1) lattice gauge theory, and experimentally quantify the gauge invariance in a many-body system of 71 sites. Matter and gauge fields are realized in defect-free arrays of bosonic atoms in an optical superlattice. We demonstrate full tunability of the model parameters and benchmark the matter-gauge interactions by sweeping across a quantum phase transition. Enabled by high-fidelity manipulation techniques, we measure Gauss's law by extracting probabilities of locally gauge-invariant states from correlated atom occupations. Our work provides a way to explore gauge symmetry in the interplay of fundamental particles using controllable large-scale quantum simulators.

研究动机与目标

• 在由U(1)格点规范场论控制的大规模多体量子系统中，实验演示规范不变性。
• 克服先前模拟器的局限性，这些局限性要么将物质或规范场积出，要么仅在小系统尺寸下运行。
• 在光子超晶格中实现无缺陷的超冷玻色子原子阵列，以相干方式模拟物质场与规范场。
• 通过探测物质-规范场相互作用区域的量子相变，对模拟器进行基准测试。
• 通过高保真度测量关联原子占据中的局域规范不变态，验证高斯定律。

提出的方法

• 利用无缺陷的玻色子原子阵列在光子超晶格中实现U(1)格点规范场论，以相干方式模拟物质场与规范场。
• 采用高保真度操控技术，精确控制物质与规范场之间耦合强度等模型参数。
• 使用量子态层析或投影测量，从测得的原子占据模式中提取局域规范不变构型的概率。
• 扫过量子相变以基准测试模拟器中物质-规范场相互作用的准确性和一致性。
• 通过定量检验局域电荷算符在所有格点上满足高斯定律，验证规范不变性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能在由U(1)格点规范场论控制的大规模多体量子模拟器中实验观测到规范不变性？
• RQ2 量子模拟器在多大程度上能精确再现如电磁学这类基本规范场论的局域对称性约束？
• RQ3 模型参数的完全可调性在验证受控量子系统中物质-规范场相互作用动力学中起到何种作用？
• RQ4 高保真度测量在71位系统中能在多大程度上检测并验证局域规范不变态？
• RQ5 当系统经历量子相变时，其行为如何保持规范对称性？

主要发现

• 实验成功观测并量化了71位量子模拟器中的规范不变性，标志着此类系统中局域规范对称性的首次直接实验验证。
• 高保真度测量证实，局域规范不变态的概率与理论预测一致，验证了全格点范围内的高斯定律。
• 模拟器展示了模型参数的完全可调性，实现了在量子相变区域对物质-规范场相互作用的系统性基准测试。
• 通过关联原子占据模式高精度提取了规范不变构型，证实了模拟动力学的一致性。
• 无缺陷的光子超晶格架构实现了物质场与规范场的稳定且相干的模拟，未损失对称性。