Nature:第五种物质状态实现了前所未有的量子模拟

Nature:第五种物质状态实现了前所未有的量子模拟

为了更好地理解物理理论,科学家通常使用人工、高度可控的量子系统来模拟它们,量子模拟构成了一种特殊类型的量子计算。它可以被看作是一种量子乐高游戏:实验物理学家将现实赋予抽象的理论模型,使用可控的量子系统(例如,超冷原子、离子)在实验室中“一个接一个地构建量子砖”。为特定模型组装完量子乐高原型后,研究人员可以在实验室中精确测量其特性,并更好地理解相应理论。如今,量子模拟已被广泛用于研究量子材料;然而,用规范场论(gauge theory)进行量子模拟存在挑战——只能模拟电磁力。

最近,来自巴塞罗那的团队首次使用超冷原子成功模拟了电磁以外的规范场论。8月10日,研究成果以《在光修饰的BEC(玻色-爱因斯坦凝聚体)中实现一维拓扑规范场论》为题[1],发表在《自然》期刊上。通过被称为第五种物质状态的BEC实现了拓扑规范场论的第一次量子模拟。

01

实验意义:规范场论的一大突破

该团队在实验室中实现的规范场论属于拓扑规范场论,它与电磁学所属的动态规范场论类别不同。

在规范场论的语言中,两个电子之间的电磁力是在它们交换光子时产生的。光子是一种即使没有物质也能传播的粒子。然而,在受到非常强磁场作用的二维量子材料中,电子交换的光子表现得非常重,只有附着在物质上才能移动。

因此,电子具有非常奇特的特性:它们只能沿着由磁场方向设定的方向流过材料的边缘,而且它们的电荷明显变得零碎。这种行为被称为“分数量子霍尔效应”(fractional quantum Hall effect)的Chern-Simons理论——其中任意子激发来自弱相互作用的物质粒子与密度相关的规范场之间的耦合。

在光修饰的玻色-爱因斯坦凝聚体(BEC)中模拟手性BF理论(一种规范拓扑场论)的实验图。a)一维手性BF理论是对二维Chern-Simons分数霍尔态理论的维度还原;b)在光耦合的BEC中实现手性BF理论。

此次实验中,研究团队通过在玻色-爱因斯坦凝聚体中实现Chern-Simons理论(手性BF理论)的一维简化来量子模拟拓扑规范场论。最后,团队揭示了手性BF理论的关键特性:手性孤子(solitons,也叫孤立波)的形成和系统本身产生的电场。最终,研究结果将量子模拟的范围扩大到拓扑规范场论,并开辟了在更高维度实施类似规范场论的途径。

02

跨学科合作:拓扑规范场论的首次量子模拟

为了使这种拓扑规范场论成为现实,并在实验中进行模拟,该团队使用了一团钾原子,将其冷却到绝对零度以上约十亿分之一的温度。他们选择了钾原子,因为钾的一种同位素具有两种状态,以不同的强度相互作用,可以用作构建手性BF规范场论的量子砖(quantum bricks)。然后,他们照射激光照射,将这两种状态结合成一个新的状态。这种技术被称为“用光修饰原子”,使它们获得了奇特的相互作用,其强度等属性取决于原子云的速度。最后,他们创建了一个光波导,将原子的运动限制在一条线上,并使用额外的激光器来踢云,使其以不同的速度沿着线移动。

超冷原子云中的手性相互作用。

在正常情况下,让原子在波导中自由演化会导致云膨胀。然而,在修饰灯亮起时,实验室拍摄的原子图像表现出完全不同的行为。正如作者之一的Ramon Ramos解释的那样,“在我们的系统中,当原子向右移动时,它们的相互作用是具有吸引力的,这抵消了原子试图膨胀的行为;所以,我们实际看到的结果是云的形状保持不变——用专业术语来说,我们实现了一个‘孤子’(soliton)。但是,如果原子向左移动,这些原子就会像普通气体一样膨胀。”

对沿相反方向运动时表现不同的原子的观察表明,该系统是手性的——即它的镜像不同。“当我们第一次观察到原子云中手性相互作用的效果时,我们并没有试图模拟规范场论。但是这些数据是如此美丽和耐人寻味,以至于我们觉得自己真的需要更好地理解它的含义;这让我彻底改变了团队的研究计划。”通讯作者Leticia Tarruell说道[2]。

最终,通过和理论物理学家Alessio Celi讨论沟通,团队提出了一个能够恰当解释实验结果的模型框架:该模型恰好是30年前提出的用于描述分数量子霍尔材料边缘电子行为的拓扑规范场论。不得不说,这个项目展示了跨学科合作的力量:将超低温物理实验和高能物理理论相结合,实现了拓扑规范场论的第一次量子模拟。

手性相互作用的观察结果。值得注意的是,图b的底部面板表示沿波导方向测量的原子云宽度σx。虽然云在向右传播时扩大了,但其大小保持不变,在向左移动时形成一个明亮的孤子。

手性亮光孤波。a)在有光屏障(虚线)的情况下,具有拉曼压制孤子(左图)和传统明亮孤子(右图)的集成密度曲线;b)原子云的宽度σx按其初始值重新归一,作为时间的函数。

手性BF电场图示。a)BEC在光波导中膨胀时的综合密度曲线;b)密度曲线的偏度;c)密度曲线,由手性BF理论(青色实线)和双分量系统(青色虚线)预测,显示了该系统中映射的有效性。

03

未来,创造“任意子”

此次实验中,团队采用了光耦合玻色-爱因斯坦凝聚体来设计有效的手性相互作用,并实现了拓扑规范场论的最小模型——手性BF理论,对应Chern-Simons理论的一维还原。

如今,该团队已经准备好探索该项目开辟的新研究方向。

他们现在的目标是在一个平面上研究、模拟同样的Chern-Simons规范场论;这将使他们有望创造出“任意子”这一准粒子——在未来可用于更强大的量子计算[3]。

参考链接:

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-022-04943-3

[2]https://www.sciencedaily.com/releases/2022/08/220810123542.htm

[3]https://iflscience.com/fifth-state-of-matter-used-to-create-never-before-achieved-quantum-simulation-64826

郑重声明:本文内容及图片均整理自互联网,不代表本站立场,版权归原作者所有,如有侵权请联系管理员(admin#wlmqw.com)删除。
(0)
用户投稿
上一篇 2022年8月17日
下一篇 2022年8月17日

相关推荐

  • 提醒中老年人:若想身体好,记得“做2事、吃3物”,安康度晚年

    随着社会的不断发展,我们的生活质量也有所改善,越来越多的中老年人开始购买一些昂贵的保健品来吃,想要及时调理自己的身体,用更好的状态来舒适地度过晚年。 但其实比起昂贵的保健品,我更建…

    2022年8月16日
  • 随笔浅谈读书

    现今的社会浮躁的气息充斥在各个角落,就连空气中都充满着燥热,打个手机映入眼帘的都是各种年入百万,千万的暴富新闻。好像在现今的社会,如果你没有钱那你将一无是处,回想我们在学校的时候,…

    2022年4月29日
  • 戚薇怀二胎巧遮孕肚!穿粉色蓬蓬裙少女感十足,晒上班照状态超好

    戚薇怀上二胎之后,整个人都是充满活力的,和老公李承铉也是十分开心,两人还特地在自己的社交平台上官宣二胎的好消息,即便是怀二胎,戚薇也没有在家待产休息,反而是更加努力的工作了。 在近…

    2022年6月13日
  • 量子AI取得突破性进展:大大减少所需训练数据量

    (图片来源:网络) 量子计算+AI,将会以强大的性能优势为各个行业带来前所未有的变革。最近,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室在“量子+AI”领域取得了重大突破:他们的最新研究表明,训练一…

    2022年8月26日
  • 新材料设计开发的基础研究取得突破 我科学家首次在单一材料的亚晶格尺度上观察到晶体-非晶杂化态

    通过创造杂化结构而集合晶态与非晶态的各自的优势一直是材料科学家们追求的理想目标之一。近日,北京高压科学研究中心(HPSTAR)吕旭杰研究员带领的研究小组,采用压力调控,首次在单一材…

    2022年8月17日
  • 莫比乌斯碳纳米带首次合成

    本研究中合成的莫比乌斯碳纳米带的结构。图片来源:瀬川泰知等人/《自然·合成》 构建结构均匀的纳米碳对于纳米技术、电子学、光学和生物医学应用中的功能材料的发展至关重要。据近日发表在《…

    2022年8月14日
  • 吃生蒜杀菌延误病情

    大蒜中含有硒,可抑制癌细胞扩散,防止良性瘤癌变等功效大蒜辛温生热,过多食用会引起肝阴肾阴不足,从而出现口干视力下降等症状如果长期过量地吃大蒜,尤其是眼病患者和经常发烧潮热盗汗等虚火…

    2022年11月24日
  • 军事仿真龙头企业华如科技今日挂牌上市

    本报记者 向炎涛 见习记者 许林艳 6月23日,华如科技登陆A股资本市场,为企业下一步的发展奠定了坚实的基础,同时也开启了企业发展的新篇章。 北京华如科技股份有限公司(股票简称“华…

    2022年6月24日
  • 6周年活动前瞻,上线SP离歌不知火也救不了现阶段的《阴阳师》

    随着一年一度的“为崽而战”活动临近尾声,很多小伙伴们都有明确感触,就是今年一系列活动的玩家参与度、参与积极性都有明确的降低。而游戏里无论是活动前的集结数据还是活动进行过程中的实战数…

    2022年8月9日
  • SpringBoot统一封装返回前端结果集

    在实际项目开发过程中、事实上我们经常用@restcontroller注释的方式,将相当于将返回数据的基本形式统一为JSON格式的数据。但是,由于我们的项目可能是由很多人开发的,所以…

    2022年6月14日

联系我们

联系邮箱:admin#wlmqw.com
工作时间:周一至周五,10:30-18:30,节假日休息