在 71 位点 Bose-Hubbard 量子模拟器中观测规范不变性

现代基本粒子描述（如粒子物理标准模型所表述）建立在规范理论之上。规范理论通过局域对称约束来实现物理学基本定律。例如，在量子电动力学中，高斯定律在带电物质与电磁场之间引入了内在的局域关系，其保护了许多显著物理性质，包括无质量光子与长程库仑定律。用经典计算机求解规范理论是极其艰巨的任务，这刺激了在微观工程化量子器件中模拟规范理论动力学的 vigorous 努力。以往的成果实现了与密度相关的 Peierls 相位而未定义局域对称性、实现了向有效模型的映射以积掉物质或电场，或仅限于极小的系统。本质的规范对称性尚未被实验观测到。在此，我们报道了一种扩展 U(1) 格点规范理论的量子模拟，并在包含物质场与规范场的多体系统中实验量化了规范不变性。这些是在 71 位点光学超晶格中无缺陷玻色原子阵列中实现的。我们展示了模型参数的完全可调性，并通过扫过量子相变来基准测试物质—规范相互作用。借助高保真操控技术，我们通过从关联原子占据中提取局域规范不变态的概率，测量了高斯定律被违背的程度。我们的工作提供了一种利用可控大规模量子模拟器探索基本粒子相互作用中规范对称性的途径。