清华交叉信息研究院量子信息中心金奇奂研究组于1月15日在《自然·通讯》（Nature Communications）发表论文《通过交换波色子的费米子——反费米子散射过程在囚禁离子中的量子模拟实验》（Experimental quantum simulation of fermion-antifermion scattering via boson exchange in a trapped ion）。该研究在离子阱系统中实现了一个基本量子场论模型的量子模拟，将量子模拟研究向前推进了重要一步。

图 1：费米子——反费米子散射过程和该过程与囚禁镱离子系统的映射关系。(a) 费米子、反费米子和波色子之间相互作用的费曼图。(b) 在囚禁镱离子系统中实现该相互作用的哈密顿量涉及的编码和操作。

利用可控量子系统进行量子模拟的研究领域飞速发展，量子模拟器超越经典计算能力已为时不远。人们期待这些量子模拟设备能够执行复杂的计算任务，比如量子场论或量子化学中的复杂计算。量子场论是对物理世界最成功的描述之一，其适用范围从基本粒子到凝聚态物质。分析该理论最著名的途径之一是利用费曼图进行微扰展开，即所谓戴森序列（Dyson series）。然而，在某些参数区域，比如耦合强度超过系统典型能量尺度的区域，不能用微扰理论进行研究。相较之下，量子模拟器有可能成为比经典计算机更高效地模拟量子场论的强有力的工具。

此项工作实验演示了如何在囚禁离子系统中模拟量子场论中的现象，比如粒子的产生和湮灭以及自相互作用过程等。该实验实现了原理验证性的量子模拟实验，演示了以波色模式为媒介的费米子——反费米子散射过程。实验利用离子振动模式来编码模拟的波色模式，同时将费米模式的状态映射到离子的4个电子能级中。这是首个利用离子的不同自由度同时模拟波色子和费米子的实验。

此外，与标准的经典或量子计算途径不同，该实验的研究方法不局限于微扰区域，还可以观测到深入非微扰区域的精确动力学。即使对于拥有众多量子比特的量子计算机来说，这样的计算也是十分困难的。该实验打开了通向量子场论的可扩展数字—模拟混合量子计算的大门。

 
图 2：量子场论的囚禁离子模拟结果。该结果展示了强相互作用下费米子和反费米子的湮灭过程，同时自作用和对产生过程都对量子动力学具有重要影响。

论文通讯作者是交叉信息院助理研究员张静宁和长聘副教授金奇奂。同等贡献的第一作者是交叉信息院已毕业博士生张翔和2013级博士生张宽。2012级博士生沈杨超、2014级博士生张帅宁参与完成了实验。助理研究员张静宁、南方科技大学翁文康教授、巴斯克地区大学（University of the Basque Country）的尤伦·佩德纳莱斯（Julen Pedernales）博士、乔治·卡萨诺瓦（Jorge Casanova）博士、卢卡斯·拉马塔（Lucas Lamata）博士和恩里克·索拉诺（Enrique Solano）教授为该工作提供理论支持。此项研究得到中国国家重点基础研究发展计划和国家自然科学基金的支持。（摘自清华新闻网）

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-017-02507-y