蘇黎世聯(lián)邦理工學院的物理學家已經(jīng)開發(fā)出一種新方法，將量子化的規(guī)范場與超冷原子耦合起來。這種方法可能是通用平臺的基礎，用于解決從凝聚態(tài)到高能物理等各種問題。

場與物質之間的相互作用，是貫穿整個物理學反復出現(xiàn)的主題。經(jīng)典情況，例如一個天體在其他天體引力場中運動的軌跡，或者電子在磁場中的運動，都是非常清楚的，并且可以驚人的精度做出預測。

然而，當所涉及的粒子和場的量子特性必須顯式地考慮時，情況很快就變得復雜起來。此外，如果場取決于其中演化的粒子狀態(tài)，那么即使是當今最強大的計算機，計算也可能變得遙不可及。場與物質之間相互作用機制的局限性阻礙了從凝聚態(tài)物理到高能物理等領域的進展。但是還有另一種方法：不是計算動力學，而是模擬它們。著名的是例子是，對于行星系統(tǒng)來說，被稱為orreries的機械模型，是在數(shù)字計算機開發(fā)之前很久就建立起來的。

近年來，科學家們開發(fā)了所謂的量子模擬器，其中一個量子系統(tǒng)的未知動力學用另一個更可控的來模擬。正如發(fā)表在《自然物理學》期刊上的研究那樣，蘇黎世聯(lián)邦理工學院物理系的Frederk G?rg和Tilman Esslinger小組，現(xiàn)在已經(jīng)在量子模擬器方面取得了實質性的進展，量子模擬器可能被用來解決一般類型的問題，其中物質和場的動力學是耦合的。

難以衡量的結果

不是直接看引力場或電磁場，而是看所謂的規(guī)范場。這些是輔助場，通常在實驗中不能直接觀察到，但作為粒子和場之間相互作用的數(shù)學處理框架，這些輔助場更加強大。作為物理學中的一個中心概念，規(guī)范場提供了一種獨特的途徑來理解電磁力，以及那些將亞原子粒子凝聚在一起的力。因此，科學家們對規(guī)范場的量子模擬很有興趣，這可以為目前無法在計算或計算機模擬中探索的情況提供新洞察力。

目前用于模擬復雜量子系統(tǒng)的領先平臺之一是基于原子，這些原子被冷卻到接近絕對零度的溫度，并被困在激光產(chǎn)生的晶格結構中。近年來的一大進步是認識到原子可以用來模擬磁場中電子的行為，即使原子沒有電荷也是如此。實現(xiàn)這一點的關鍵是使用外部控制參數(shù)來控制量子隧穿過程，通過量子隧穿過程，原子在光學晶格的相鄰位置之間移動。通過適當?shù)夭眉袅孔恿Ｗ釉谒泶┦录惺叭〉膹碗s相位(稱為Peierls相位)，可以使中性原子的行為，精確地像在磁場中運動的帶電粒子。

動搖這一領域

這些合成規(guī)范場中的工程動力學可以與經(jīng)典行星系系統(tǒng)動力學相比較，在經(jīng)典系統(tǒng)中，行星的運動就像受到來自中心體強大引力的拉動，模擬真實行星的行為。以前使用超冷原子平臺來創(chuàng)建由復雜隧穿相位產(chǎn)生的人工規(guī)范場。但是到目前為止，這些人工規(guī)范場本質上是經(jīng)典的，并且不包括從原子到規(guī)范場的反向作用。令人興奮的是，科學家現(xiàn)在提出了一種靈活的方式來實現(xiàn)原子和規(guī)范場之間的耦合。

研究提出并實施了一種根據(jù)原子在晶格中的分布情況來渲染Peierls相程序。當分布由于與規(guī)范場的相互作用而改變時，規(guī)范場本身也會改變。這就好像Orrery會根據(jù)行星的不同而加速或減速（忽略了行星之間的相互作用，所以不需要對簡單的天體力學進行建模）。然而，在量子規(guī)范場的量子模擬器情況下，粒子之間的相互作用是必不可少的部分。在現(xiàn)在的實驗中，物理學家創(chuàng)造了一個由“二聚體”組成的光學晶格，每個“二聚體”都由兩個相鄰的位點組成。

費米子原子可以單獨存在，也可以成對存在。通過用壓電致動器以兩種不同的頻率，搖動晶格來控制二聚體位點之間的隧穿。選擇調制的頻率和相位，使得位點之間的Peierls相位取決于一個原子是否與另一個相反自旋的原子共享其二聚體位置。與超冷原子耦合的人工規(guī)范場步驟是一個重要步驟。光學晶格中的超冷原子已經(jīng)成為量子模擬的通用平臺，包括模擬固態(tài)材料中出現(xiàn)的復雜電子現(xiàn)象。

普遍性問題

在不太遙遠的將來，也可以解決更復雜的量子規(guī)范場，特別是那些出現(xiàn)在高能物理中并挑戰(zhàn)當前經(jīng)典模擬方法的量子規(guī)范場?？梢杂糜诟鞣N不同的量子化規(guī)范場，超出了發(fā)表論文中實驗探索的特定場景，而且，由于這項研究還展示了對高度可調原子多體系統(tǒng)的精妙實驗控制，現(xiàn)在出現(xiàn)了一個清晰而有趣的前景，它不是對天空運動的洞察，而是對量子世界的深層洞察。

博科園｜研究/來自：蘇黎世聯(lián)邦理工學院

參考期刊《自然物理學》

DOI: 10.1038/s41567-019-0615-4

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