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