量子计算机揭示(2+1)维Z2晶格规范理论中热化动力学的普适性特征

本研究通过全连接光控离子阱量子计算机，首次观测到(2+1)维Z2规范理论非平衡态下纠缠哈密顿量的混沌特征。团队利用随机测量协议重构纠缠谱，发现能级排斥与谱形因子斜坡-平台结构等量子混沌标志，为研究强相互作用多体系统热化机制提供了新范式。该成果发表于《Nature Communications》，标志着量子模拟器在规范场论研究中的突破性应用。

　　

在量子多体系统研究中，理解非平衡态热化过程是当代物理学的核心挑战之一。强相互作用系统如夸克-胶子等离子体或高温超导体的热化机制，传统计算方法面临指数级复杂度障碍。规范场论作为描述基本相互作用的理论框架，其热化过程与早期宇宙演化、重离子碰撞等现象密切相关，但现有方法难以捕捉其动态细节。这一困境催生了量子模拟技术的新应用——利用可控量子系统再现规范场论的演化行为。

美国马里兰大学联合多个机构的研究团队，在15个¹⁷¹Yb⁺离子组成的量子处理器上，实现了(2+1)维Z₂晶格规范理论的数字化模拟。通过设计双变量映射方案将12个量子自由度编码至离子链，研究人员成功观测到纠缠哈密顿量谱从泊松分布向高斯酉系综(GUE)的转变，以及纠缠谱形因子(ESFF)的典型混沌特征。该成果发表于《Nature Communications》，为量子模拟器研究规范理论热化动力学建立了方法论范式。

研究采用三大关键技术：(1)基于离子链的全可编程量子处理器，实现单比特SK1脉冲和两比特M?lmer-S?rensen(MS)门操作；(2)双变量映射算法将原理论10个晶胞的规范场转化为12量子比特系统；(3)随机测量协议结合Bisognano-Wichmann启发式参量化，通过73个局域算子重构纠缠哈密顿量。实验采集了6种初始态在24个随机基下的测量数据，每个配置重复500次。

模型构建与量子模拟
研究采用周期性边界条件的准一维带状晶格，通过广义Ising对偶将规范不变算符映射至离子处理器。如图2所示，系统保留边界处的原始规范变量，而体区用μ_i^x,z对偶算符表示。这种设计保持纠缠结构与原理论一致，同时将量子比特需求从3L_x降至L_x+2。通过监测边界高斯定律算符G_j的期望值，验证了规范对称性在演化过程中的保持（误差<5%）。

热化动力学观测
研究定义了早期(E)、中期(I)、晚期(L)三个演化阶段。如图4所示，纠缠谱能级比r从初始≈0.4（泊松分布）逐渐趋近≈0.6（GUE特征），表明量子混沌的出现。在晚期阶段，ESFF（图5）显示出明显的斜坡-平台结构，拟合得幂律系数k=0.6±0.2。这些特征与随机矩阵理论预测一致，证实了纠缠哈密顿量的遍历性。

方法学验证
通过对比精确对角化结果，发现BW启发式参量化能准确捕捉低能谱特征。虽然高能部分重构存在偏差，但统计特性不受影响。研究还发现Trotter步数影响重构质量——步数过少时需要引入更多非局域项，这与有效哈密顿量的微扰修正相关。

该研究首次在量子模拟器中观测到规范理论热化的普适性特征，建立了"纠缠谱统计→量子混沌→热化"的研究链条。其方法论突破在于：1）证明随机测量可提取非平衡态的全局统计特征；2）验证小子系统分析对大规模系统研究的可扩展性；3）为研究QCD热化等难题提供了新工具。未来工作可拓展至非阿贝尔规范理论，并探索误差抑制策略以延长演化时间。这项成果标志着量子计算机在高能物理研究中的实用化迈出关键一步。