苏黎世联邦理工学院的物理学家已经开发出一种新方法，将量子化的规范场与超冷原子耦合起来。这种方法可能是通用平台的基础，用于解决从凝聚态到高能物理等各种问题。场与物质之间的相互作用，是贯穿整个物理学反复出现的主题。经典情况，例如一个天体在其他天体引力场中运动的轨迹，或者电子在磁场中的运动，都是非常清楚的，并且可以惊人的精度做出预测。
然而，当所涉及的粒子和场的量子特性必须显式地考虑时，情况很快就变得复杂起来。此外，如果场取决于其中演化的粒子状态，那么即使是当今最强大的计算机，计算也可能变得遥不可及。
场与物质之间相互作用机制的局限性阻碍了从凝聚态物理到高能物理等领域的进展。但是还有另一种方法：不是计算动力学，而是模拟它们。著名的是例子是，对于行星系统来说，被称为orreries的机械模型，是在数字计算机开发之前很久就建立起来的。
近年来，科学家们开发了所谓的量子模拟器，其中一个量子系统的未知动力学用另一个更可控的来模拟。正如发表在《自然物理学》期刊上的研究那样，苏黎世联邦理工学院物理系的Frederk Görg和Tilman Esslinger小组，现在已经在量子模拟器方面取得了实质性的进展，量子模拟器可能被用来解决一般类型的问题，其中物质和场的动力学是耦合的。
不是直接看引力场或电磁场，而是看所谓的规范场。这些是辅助场，通常在实验中不能直接观察到，但作为粒子和场之间相互作用的数学处理框架，这些辅助场更加强大。作为物理学中的一个中心概念，规范场提供了一种独特的途径来理解电磁力，以及那些将亚原子粒子凝聚在一起的力。因此，科学家们对规范场的量子模拟很有兴趣，这可以为目前无法在计算或计算机模拟中探索的情况提供新洞察力。
目前用于模拟复杂量子系统的领先平台之一是基于原子，这些原子被冷却到接近绝对零度的温度，并被困在激光产生的晶格结构中。近年来的一大进步是认识到原子可以用来模拟磁场中电子的行为，即使原子没有电荷也是如此。实现这一点的关键是使用外部控制参数来控制量子隧穿过程，通过量子隧穿过程，原子在光学晶格的相邻位置之间移动。通过适当地裁剪量子粒子在隧穿事件中拾取的复杂相位(称为Peierls相位)，可以使中性原子的行为，精确地像在磁场中运动的带电粒子。
这些合成规范场中的工程动力学可以与经典行星系系统动力学相比较，在经典系统中，行星的运动就像受到来自中心体强大引力的拉动，模拟真实行星的行为。以前使用超冷原子平台来创建由复杂隧穿相位产生的人工规范场。但是到目前为止，这些人工规范场本质上是经典的，并且不包括从原子到规范场的反向作用。令人兴奋的是，科学家现在提出了一种灵活的方式来实现原子和规范场之间的耦合。
研究提出并实施了一种根据原子在晶格中的分布情况来渲染Peierls相程序。当分布由于与规范场的相互作用而改变时，规范场本身也会改变。这就好像Orrery会根据行星的不同而加速或减速（忽略了行星之间的相互作用，所以不需要对简单的天体力学进行建模）。然而，在量子规范场的量子模拟器情况下，粒子之间的相互作用是必不可少的部分。在现在的实验中，物理学家创造了一个由“二聚体”组成的光学晶格，每个“二聚体”都由两个相邻的位点组成。
费米子原子可以单独存在，也可以成对存在。通过用压电致动器以两种不同的频率，摇动晶格来控制二聚体位点之间的隧穿。选择调制的频率和相位，使得位点之间的Peierls相位取决于一个原子是否与另一个相反自旋的原子共享其二聚体位置。与超冷原子耦合的人工规范场步骤是一个重要步骤。光学晶格中的超冷原子已经成为量子模拟的通用平台，包括模拟固态材料中出现的复杂电子现象。
在不太遥远的将来，也可以解决更复杂的量子规范场，特别是那些出现在高能物理中并挑战当前经典模拟方法的量子规范场。可以用于各种不同的量子化规范场，超出了发表论文中实验探索的特定场景，而且，由于这项研究还展示了对高度可调原子多体系统的精妙实验控制，现在出现了一个清晰而有趣的前景，它不是对天空运动的洞察，而是对量子世界的深层洞察。
博科园｜研究/来自：苏黎世联邦理工学院
参考期刊《自然物理学》
DOI: 10.1038/s41567-019-0615-4
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