中国科学院中国科学技术大学研究人员研制出超冷原子量子模拟器，研究晶格规范场论中非平衡热化过程与量子临界性之间的关系。该研究由潘建伟和袁振声领导，与清华大学的翟辉和兰州大学的姚志远合作。

探索晶格规范理论中的热化动力学与量子临界性之间的关系

他们的发现表明，具有规范对称性的多体系统在位于量子相变临界区时往往更容易热化到平衡态。研究结果发表在《物理评论快报》上。

规范理论和统计力学是物理学的两个基础理论。从经典电磁学的麦克斯韦方程到量子电动力学和描述基本粒子相互作用的标准模型，都遵循特定的规范对称性。另一方面，统计力学基于玻尔兹曼等人提出的最大熵原理，将大型粒子集合(例如原子和分子)的微观状态与其宏观统计行为联系起来。例如，它阐明了微观粒子的能量分布如何影响压力、体积或温度等宏观量。

那么，规范理论描述的量子多体系统在远离平衡时是否会热化到热力学平衡?回答这个问题将增进我们对规范理论、统计力学及其相互关系的理解。尽管理论物理学家提出了各种模型来分析这个问题，但构建一个既由规范理论描述又可以在其热化过程中人为操纵和观察的物理系统在实验上仍然具有挑战性。

超冷原子量子模拟器的出现为同时研究规范理论和统计物理提供了理想的实验平台。2020年，中国科大研究团队研制出71个晶格点的超冷原子光学晶格量子模拟器。这标志着U(1)晶格规范理论(特别是施温格模型)中量子相变过程的首次实验模拟。

2022年，该团队模拟了晶格规范场理论中从非平衡状态过渡到平衡状态的热化动力学。他们首次通过实验验证了规范对称约束下量子多体热化导致的初始状态信息的“丢失”。

该项目的合作者翟辉和姚志远通过理论研究指出，在这种晶格规范模型中，量子热化和量子相变之间存在相关性。他们从反铁磁尼尔态出发，预测系统只有在量子相变点附近才能实现完全热化。

在晶格规范理论中观察量子热化和量子相变之间的关系对先前的实验能力提出了新的挑战：挑战在于如何以单晶格点精度和可区分的原子序数原位控制和检测多体量子态。

在超冷原子量子模拟器的基础上，该团队结合了量子气体显微镜、自旋相关超晶格和可编程光势等技术。这种融合为具有单点精度和可区分粒子数的原子操作和检测技术的发展铺平了道路。

利用这些进步，研究人员能够制备和探测具有任何原子配置的多原子量子态。此外，他们在规范对称性的约束下跟踪了多体量子态的动态演化。

在他们的研究中，该团队通过实验准备了具有特定原子构型的初始状态。他们利用绝热演化的方法来研究规范对称约束下的量子相变过程。他们首次在实验条件下通过有限尺寸缩放理论准确地确定了相变点。

此外，他们还探索了远离平衡时相同初始构型的退火动力学。他们的工作揭示了一种模式，其中具有规范对称性的多体系统，当接近量子相变临界点时，往往会热稳定到平衡状态。

《物理学》杂志在题为“观察量子系统热化”的文章中强调了他们的成就。