- 牛津大学利用混合量子计算机重现Aharonov–Bohm效应。
- 研究显示粒子在未接触磁场下可停止运动。
- 该实验有助于模拟难以用传统计算机建模的交互。
- 研究显示混合量子架构能探索基本物理交互。
量子粒子可以通过一种称为隧穿的过程在两个位置之间移动。然而，如果一个粒子因为一个它从未直接交互的磁场而突然停止移动，会发生什么情况？牛津大学的物理学家利用混合量子计算机重现了这一反直觉的行为，展示了在模拟量子系统中出现的 Aharonov–Bohm 效应。Aharonov–Bohm 效应发生在粒子环绕包含磁通量的区域时，即使它从未穿过该磁场，也会经历其量子相位的变化。
在牛津大学的实验中，这一效应使粒子的可能路径相互抵消，完全抑制了它在两个位置之间的隧穿。这些发现可能有助于科学家模拟越来越难以用传统计算机建模的基本交互。
牛津大学的实验方法
建立来自被困离子的量子环路。在日常物理中，带电粒子会对所遇到的电场和磁场作出反应。然而，量子力学允许更微妙的现象。粒子在环绕包含磁通量的区域时，即使它从未进入该磁场所在的区域，仍然可以获得可测量的相位变化。物理学家 Yakir Aharonov 和 David Bohm 在 1959 年预测了这一效应，随后用真实电子的实验证实了这一点。牛津的研究人员目前正在研究同一现象在晶格规范理论中的行为，这是一种用于描述粒子物理学中物质与场之间交互的数学框架。
在这些理论中，物质占据网格上的点，而规范场则连接这些点。随着这些系统的增长，利用传统计算机计算其行为变得愈加困难。量子模拟提供了一种替代方案：研究人员建立一个遵循他们想要研究的模型的底层规则的物理系统，然后观察其行为。
从 2022 年开始，研究作者开展了一项实验，以模拟晶格规范理论，这是一种用于研究物质如何与规范场交互的框架。他们的混合系统结合了两个不同角色的组件。被困离子的内部电子态编码的量子比特代表了规范场。对应于离子振动的量子振荡器则代表物质。研究人员用两个代表它们之间场的量子比特将两个振荡器连接起来，这代表了两个位置的物质。这些组件共同形成了一个环路，这是该理论的一个基本构建模块。
团队使用数字操作准备和测量系统，而模拟量子演化则使其能够模拟交互。
磁通量的动态编码
取消粒子运动的磁通量。研究人员将这两个量子比特准备在一种纠缠态中，其量子性质以一种没有经典等价物的方式相互联系。在模拟中，这一状态代表了通过环路的磁通量。最初以这种方式编码磁通量是一种实用的变通方法。硬件无法提供所需的交互来将磁通量引入作为固定背景。然而，这一方法还使研究人员能够探索更有趣的事物：一个可以随其交互的物质而演化的规范场。“对我们来说，令人兴奋的一步是将磁通量编码在一个本身是动态的规范场中。
物质不再在固定背景中演化，而物质和规范场成为同一量子动力学的一部分。”牛津大学的首席研究员和博士后研究人员 Sebastian Saner 表示。
然后，研究人员观察到一个物质粒子在环路的两个位置之间隧穿。没有磁通量时，粒子可以自由隧穿。当研究人员引入磁通量时，两条可能路径发生破坏性干涉，取消了隧穿过程，并使系统回到其起始状态。“这时，我们观察到 Aharonov–Bohm 干涉，并利用编码磁通量的动态规范场，从而展示了电荷和磁通之间的相互作用。”
未来的量子模拟应用
扩展量子模拟到基本交互。这一实验提供了一种研究物质和磁场在量子系统中如何交互的方式。随着进一步发展，类似的模拟可能帮助研究人员探讨传统计算机难以建模的更复杂交互。在一项相关研究中，马里兰大学的教授 Norbert Linke 领导的团队利用混合量子系统模拟了与核物理和粒子物理相关的 Yukawa 势。这些研究共同显示出混合量子架构如何帮助科学家探索塑造物理世界的基本力量和交互。
该研究已发表在《自然物理学》期刊上。
项目 规格 研究机构 牛津大学 量子系统类型 混合量子计算机 预测效应 Aharonov–Bohm 效应
混合量子计算的潜力与挑战
这项研究展示了混合量子计算机在探索量子物理基本交互方面的潜力。Aharonov–Bohm效应的再现不仅验证了量子理论的预测，还为科学家提供了一种新方法来模拟复杂的物理系统。随着量子计算技术的进步，这类实验将有助于解决传统计算机无法有效处理的问题，推动物理学和相关领域的发展。研究结果不仅对基础科学具有重要意义，还可能对未来的技术应用产生深远影响。