研究快讯 | 在里德堡原子阵列中量子模拟二维U(1)格点规范理论

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文章亮点

提出了在里德堡原子阵列体系中模拟二维量子U(1)规范理论的一种全新实验方案。与现有方案相比，该方案对实验更加友好，具有良好的参数可调性，且可以很好地再现 U(1)规范理论的多个关键特征。

左上：三角晶格里德堡原子阵列在半满填充下的相图。在普通的里德堡阵列中，次次近邻相互作用(U3)与次近邻相互作用(U2)的比值固定；其clock到条纹相(stripe phase)的相变点十分接近解禁闭RK点(pseudo-RK)。通过对里德堡能级进行修饰(dressing)，可以有效增强U3/U2，从而可以探索更广泛的参数区间。

右上：Clock相、非公度中间相(intermediate phase)、条纹相的实空间构型，dimer表示(上栏)以及结构因子(下栏)。不同相中所包含的拓扑弦数目各不相同，因此属于不同的topological sector，彼此无法通过局域操作相互联系。

左下：三子格序参量在clock相、多临界RK点以及条纹相对应的概率分布图(histogram)。可以看到，U(1)规范场在clock相中禁闭，在RK点处解禁闭。

右下：多临界RK点处的激发谱。具有三支无能隙的二次色散模式，且三支模式的曲率均不相同，反映了系统在临界点处丰富的低能动力学行为。

在里德堡原子阵列中量子模拟二维U(1)格点规范理论

研究背景

格点规范理论是现代量子多体理论的重要组成部分。一方面，它与凝聚态物理中的量子自旋液体、拓扑序等奇异量子物态密切相关；另一方面，也在高能物理中标准模型的研究扮演了核心角色。近年来，借助量子模拟平台对格点规范理论进行实验模拟成为研究热点。然而目前的研究主要集中在一维体系；二维及更高维度的格点规范理论量子模拟仍处于探索初期，相关实验实现仍非常有限。推动高维格点规范理论的量子模拟，不仅有望揭示新型量子物态，也有可能为高能物理中的非微扰现象的研究开辟新的途径。

内容简介

最近，研究团队提出了一种通过三角晶格里德堡(Rydberg)原子阵列，对二维U(1)格点规范理论进行量子模拟的实验方案。结合量子蒙特卡洛大规模数值计算以及理论分析，我们发现在实验可达到的参数范围内，该量子模拟平台可以很好地再现 U(1)规范理论的多个关键特征，包括拓扑弦的涌现、非公度性行为(incommensurability)、以及解禁闭的Rokhsar-Kivelson多临界点等。与传统的里德堡平台相比，修饰型里德堡原子具有更高的参数可调性，从而使得实验得以探索更广泛的参数空间。

此外，本文的方案还克服了既有方案中低能规范涨落受到显著压制的重要问题。规范理论中的低能规范涨落主要来源于ring-exchange过程。在此前的方案中，这些过程只能以高阶微扰形式出现，因此在低能下被显著抑制，从而使系统呈现出玻璃化行为。而在本方案中，规范动力学在微扰极限下直接与Rabi频率Ω呈线性相关，因此规范涨落不仅显著增强，还具有良好的实验可调性。综上所述，本文提出的方案对实验更加友好，为探索规范理论中的奇异量子现象提供了新的思路。

研究意义和重要性

该工作为量子模拟二维U(1)格点规范理论提供了实验上较为可行的方案，为实验探索由演生规范结构驱动的新奇量子物态及其调控打开了新的思路。