量子模拟器中的弯曲时空

2023-06-08 量子科技资讯

背景：引力透镜效应，相对论解释的效应示例。对于量子粒子，可以研究类似的效应。来源：美国宇航局，维也纳理工大学

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现象时效果很好，例如原子中单个电子的行为。但是，以完全令人满意的方式将两者结合起来尚未实现。寻找“引力量子理论”被认为是科学中尚未解决的重大任务之一。

这部分是因为这个领域的数学非常复杂。同时，很难进行合适的实验：人们必须创造相对论的现象都起着重要作用的情况，例如，由重质量弯曲的时空，同时量子效应变得可见，例如光的双粒子和波的性质。

在奥地利维也纳的TU Wien，现在已经为此目的开发了一种新的方法：使用所谓的“量子模拟器”来深入了解这些问题：人们不是直接研究感兴趣的**（即弯曲时空中的量子粒子），而是创建一个“模型**”，然后人们可以从中通过类比了解实际感兴趣的**。研究人员现在已经证明，这种量子模拟器工作得很好。

克里特大学、南洋理工大学和柏林傅大学的物理学家参与的这项国际合作的结果现已发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）**上。

从一个学习另一个

量子模拟器背后的基本思想很简单：许多物理**是相似的。即使它们是不同尺度上完全不同的粒子或物理**，乍一看彼此之间关系不大，这些**也可能在更深层次上遵守相同的定律和方程。这意味着人们可以通过研究另一个**来了解特定**。

“我们采用一个量子**，我们知道我们可以在实验中很好地控制和调整，”TU Wien原子研究所的Jörg Schmiedmayer教授说。“在我们的案例中，这些是由具有电磁场的原子芯片持有和*纵的超冷原子云。

假设您正确调整了这些原子云，以便将它们的属性转换为另一个量子**。在这种情况下，你可以从原子云模型**的测量中了解另一个**——就像你可以从附着在金属弹簧上的质量的振荡中了解钟摆的振荡一样：它们是两个不同的物理**，但一个可以转化为另一个。

“我们现在能够证明我们可以以这种方式产生类似于时空曲率的效果，”维也纳量子科学与技术中心（VCQ）的Mohammadamin Tak说 - TU Wien，当前**的第一作者。

在真空中，光沿着所谓的“光锥”传播。光速是恒定的;在相同的时间，光在每个方向上传播相同的距离。但是，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。光的路径在弯曲的时空中不再是完全笔直的。这被称为“引力透镜效应”。

现在也可以在原子云中显示同样的情况。人们检查的不是光速，而是声速。“现在我们有一个**，其中有一个对应于时空曲率或引力透镜的效应，但与此同时，它是一个量子**，你可以用量子场论来描述，”Mohammadamin Tak说。“有了这个，我们有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精确地证明，正如相对论宇宙**中所预期的那样。这不仅对为基础理论研究生成新数据很有趣，固态物理学和寻找新材料也会遇到具有相似结构的问题，因此可以通过此类实验来回答。

“我们现在希望更好地控制这些原子云，以确定影响更深远的数据。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解释道。通过这种方式，量子模拟器可以重现非常复杂的物理情况，即使使用超级计算机也无法计算。

因此，量子模拟器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，研究小组希望遇到迄今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尺度上 - 但如果不观察微小粒子，它们可能永远不会被发现。

更多信息：Mohammadamin Tak等人，量子场模拟器中弯曲光锥的实验观察，美国国家科学院院刊（2023）。DOI： 10.1073/pnas.2301287120

期刊信息：美国国家科学院院刊