牛津大學物理學家利用混合量子電腦再現阿哈羅諾夫-博姆效應，證實粒子在未接觸磁場下停止運動

量子粒子可以通過一種稱為隧穿的過程在兩個位置之間移動。然而，如果一個粒子因為一個它從未直接交互的磁場而突然停止移動，會發生什麼情況？牛津大學的物理學家利用混合量子計算機重現了這一反直覺的行為，展示了在模擬量子系統中出現的 Aharonov–Bohm 效應。Aharonov–Bohm 效應發生在粒子環繞包含磁通量的區域時，即使它從未穿過該磁場，也會經歷其量子相位的變化。

在牛津大學的實驗中，這一效應使粒子的可能路徑相互抵消，完全抑制了它在兩個位置之間的隧穿。這些發現可能有助於科學家模擬越來越難以用傳統計算機建模的基本交互。

牛津大學的實驗方法

建立來自被困離子的量子環路。在日常物理中，帶電粒子會對所遇到的電場和磁場作出反應。然而，量子力學允許更微妙的現象。粒子在環繞包含磁通量的區域時，即使它從未進入該磁場所在的區域，仍然可以獲得可測量的相位變化。物理學家 Yakir Aharonov 和 David Bohm 在 1959 年預測了這一效應，隨後用真實電子的實驗證實了這一點。牛津的研究人員目前正在研究同一現象在晶格規範理論中的行為，這是一種用於描述粒子物理學中物質與場之間交互的數學框架。

在這些理論中，物質佔據網格上的點，而規範場則連接這些點。隨著這些系統的增長，利用傳統計算機計算其行為變得愈加困難。量子模擬提供了一種替代方案：研究人員建立一個遵循他們想要研究的模型的底層規則的物理系統，然後觀察其行為。

從 2022 年開始，研究作者開展了一項實驗，以模擬晶格規範理論，這是一種用於研究物質如何與規範場交互的框架。他們的混合系統結合了兩個不同角色的組件。被困離子的內部電子狀態編碼的量子位（qubits）代表了規範場。對應於離子振動的量子振盪器則代表物質。研究人員用兩個代表它們之間場的量子位將兩個振盪器連接起來，這代表了兩個位置的物質。這些組件共同形成了一個環路，這是該理論的一個基本構建塊。

團隊使用數字操作準備和測量系統，而類比量子演化則使其能夠模擬交互。

磁通量的動態編碼

取消粒子運動的磁通量。研究人員將這兩個量子位準備在一種糾纏狀態中，其量子性質以一種沒有經典等價物的方式相互聯繫。在模擬中，這一狀態代表了通過環路的磁通量。最初以這種方式編碼磁通量是一種實用的變通方法。硬件無法提供所需的交互來將磁通量引入作為固定背景。然而，這一方法還使研究人員能夠探索更有趣的事物：一個可以隨著其交互的物質而演變的規範場。「對我們來說，令人興奮的一步是將磁通量編碼在一個本身是動態的規範場中。

物質不再在固定背景中演變，而物質和規範場成為同一量子動力學的一部分。」牛津大學的首席研究員和博士後研究人員 Sebastian Saner 表示。

然後，研究人員觀察到一個物質粒子在環路的兩個位置之間隧穿。沒有磁通量時，粒子可以自由隧穿。當研究人員引入磁通量時，兩條可能路徑發生破壞性干涉，取消了隧穿過程，並使系統回到其起始狀態。「這時，我們觀察到 Aharonov–Bohm 干涉，並利用編碼磁通量的動態規範場，從而展示了電荷和磁通之間的相互作用。」

未來的量子模擬應用

擴展量子模擬到基本交互。這一實驗提供了一種研究物質和磁場在量子系統中如何交互的方式。隨著進一步發展，類似的模擬可能幫助研究人員探討傳統計算機難以建模的更複雜交互。在一項相關研究中，馬裏蘭大學的教授 Norbert Linke 領導的團隊利用混合量子系統模擬了與核物理和粒子物理相關的 Yukawa 潛力。這些研究共同顯示出混合量子架構如何幫助科學家探索塑造物理世界的基本力量和交互。

該研究已發表在《自然物理學》期刊上。

項目	規格
研究機構	牛津大學
量子系統類型	混合量子計算機
預測效應	Aharonov–Bohm 效應

混合量子計算的潛力與挑戰

這項研究展示了混合量子計算機在探索量子物理基本交互方面的潛力。Aharonov–Bohm效應的再現不僅驗證了量子理論的預測，還為科學家提供了一種新方法來模擬複雜的物理系統。隨著量子計算技術的進步，這類實驗將有助於解決傳統計算機無法有效處理的問題，推動物理學和相關領域的發展。研究結果不僅對基礎科學具有重要意義，還可能對未來的技術應用產生深遠影響。