量子模拟器中的“弯曲时空”

光子盒研究院出品

当你想解释宇宙尺度的现象时，相对论很有效：比如黑洞碰撞时产生的引力波；量子理论在描述粒子尺度的现象时效果很好（比如原子中单个电子的行为）。但是，将这两者以一种完全令人满意的方式结合起来还没有实现。寻找 “量子引力理论”被认为是科学中未解决的重要任务之一。

因为这个领域的数学非常复杂，同时，进行适当的实验也很困难：我们必须创造一些情况，让相对论现象发挥重要作用（例如，被重质物弯曲的时空），同时，量子效应变得明显（例如，光的双重粒子和波的性质）。

在奥地利维也纳的TU Wien，现在已经为此开发了一种新的方法：一个“量子模拟器”被用来探究这些问题的本质。 人们不是直接研究感兴趣的系统（即弯曲时空中的量子粒子），而是创建一个“模型系统”，然后，类比从该系统中了解一些实际感兴趣的系统。研究人员现在已经表明，这种量子模拟器工作得非常好。

来自克里特大学、南洋理工大学和柏林大学的物理学家参与的这项国际合作的结果《在量子场模拟器中对弯曲的光锥进行实验观察(Experimental observation of curved light-cones in a quantum field simulator)》，现在发表在《美国科学院院刊(PNAS)》上。

量子模拟器的基本想法很简单：许多物理系统是相似的。即使它们是完全不同种类的粒子或不同尺度的物理系统：乍一看，彼此没有什么关系，但这些系统可能在更深的层次上遵守相同的规律和方程。这意味着人们可以通过研究一个特定的系统来了解一些情况。

“我们采取的是一个我们知道可以在实验中很好地控制、调整的量子系统，”维也纳工业大学原子研究所的Jörg Schmiedmayer教授说：“在我们的案例中，这些是超冷原子云，由一个原子芯片用电磁场保持和操纵。”

“假设你适当地调整这些原子云、使它们的特性可以转化为另一个量子系统。在这种情况下，你可以从原子云模型系统的测量中了解到另一个系统的一些情况：就像你可以从连接在金属弹簧上的质量的振荡中，了解到关于钟摆的振荡的情况—— 它们是两个不同的物理系统，但一个可以转化为另一个。”

“我们现在已经能够证明，我们可以通过这种方式产生效果、用来模拟类似于时空的曲率。”维也纳量子科学技术中心(VCQ)、维也纳大学、本论文的第一作者Mohammadamin Tajik说道。

引力透镜效应是相对论所解释的一个效应的例子。通过量子粒子，可以研究类似的效应。

在真空中，光沿着一个所谓的“光锥(light cone)”传播。光速是恒定的；在相等的时间内，光在每个方向上传播的距离是相同的。然而，如果光受到重质量的影响（例如太阳的引力），这些光锥就会弯曲。在弯曲的时空里，光的路径不再是完全笔直的——这被称为“引力透镜效应”。

现在，同样的情况可以在原子云中显示出来：人们不再研究光速，而是研究音速。“现在我们有一个系统，其中有一个对应于时空曲率或引力透镜的效应；但同时，它是一个量子系统，你可以用量子场理论来描述。”Mohammadamin Tajik说：“有了这个，我们就有了一个全新的工具来研究相对论和量子理论之间的联系。”

实验装置。

实验表明，光锥的形状、透镜效应、反射和其他现象可以在这些原子云中得到证明，这正是相对论宇宙系统中的预期。这对产生基础理论研究的新数据有重要意义：固态物理学和寻找新材料也会遇到具有类似结构的问题，因此可以通过这种实验来回答。

“我们现在想更好地控制这些原子云，以确定更加深远的数据。例如，粒子之间的相互作用仍然可以以非常有针对性的方式改变。”Jörg Schmiedmayer解释说，通过这种方式，量子模拟器可以重现那些复杂到即使用超级计算机也无法计算的物理情况。

因此，量子模拟器会成为量子研究的一个新的、额外的信息来源：除了理论计算、计算机模拟和直接实验之外。在研究原子云时，研究小组希望能发现到目前为止可能完全未知的新现象，这些现象也发生在宇宙、相对论的范围内。

但是，如果没有对微小粒子的观察，它们可能永远不会被发现。

参考链接：

[1]https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2301287120

[2]https://arxiv.org/pdf/2209.09132.pdf