新型量子模拟协议诞生

导读

科学家离理解量子力学又更近了一步：英国斯望西大学（Swansea University）物理学家开发出一种新的量子模拟协议。

关键字

量子、传感器、数学

背景

在大多数的日常活动中，例如骑自行车、乘坐电梯、抓一只球，经典（牛顿）力学是完全精准的。然而，在原子和亚原子尺度上，描述大自然却是用量子力学。

这项理论形成于约100年之前，理论物理学家理查德费曼（Richard Feynman）曾如此评论：

“我认为我可以有把握地说，没有人理解量子力学。”

直到今天，理解由大量互相作用的粒子组成的量子力学系统的机制，仍然是物理学中最有难度的问题之一。

创新

为应对这一挑战，来自英国斯望西大学物理系的量子信息理论学家开展了一个跨学科合作研究项目，开发出一种新型量子模拟协议。

（图片来源: 参考资料【2】）

在发表于《 Physical Review X 》期刊上的理论研究中，高能理论物理学家 Gert Aarts 教授、 Markus Müller 博士、Alejandro Bermudez 博士一起使用冷原子作为可控的量子传感器，实验性地研究了相互作用的量子场理论的关键特性。研究结果可以阐明凝聚态物质和高能物理中的困难的开放性问题。

技术

量子场理论为描述自然界中跨越许多能量尺度的各种系统，从实验室中的超冷原子到大型强子对撞机（ Large Hadron Collider）中的大多数高能粒子，提供了一种统一的语言。

（图片来源: 参考资料【2】）

Alejandro Bermudez 表示：

“量子场理论的基石是所谓的生成泛函，由此可以推导出粒子之间所有的相互关系。”

Aarts 教授补充道：

“它通常被当作一种数学工具，将所有关于量子场理论的信息熟练地压缩成单一的、有点抽象的数量。”

在这项研究中，团队展示了如何使用激光冷却的被囚禁离子的弦，在实验室中实际测量生成泛函。这个新机制的核心理念就是将生成泛函的相关信息映射到一组相互纠缠的量子传感器上，编码在离子的电子状态中。

（图片来源: 参考资料【2】）

Müller 解释道：

“然后，这些量子传感器通过一系列精准时控的脉冲耦合成量子场，就像钢琴的琴键，它必须在不同时间按下，从而形成旋律。这种旋律，与实验的干涉测量信号相一致，含有量子场理论的相关信息。”

价值

这些结果是量子模拟相关的更广泛话题中的重要一步。这种量子模拟旨在通过可精准操控的实验系统，理解量子多体物理学问题，从而进行量子场理论的研究。

参考资料

【1】http://www.swansea.ac.uk/media-centre/latest-research/astepclosertounderstandingquantummechanicsswanseauniversitysphysicistsdevelopanewquantumsimulationprotocol.php

【2】A. Bermudez, G. Aarts, M. Müller. Quantum Sensors for the Generating Functional of Interacting Quantum Field Theories. Physical Review X, 2017; 7 (4) DOI: 10.1103/PhysRevX.7.041012

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