新型量子模擬協議誕生

導讀

科學家離理解量子力學又更近了一步：英國斯望西大學（Swansea University）物理學家開發出一種新的量子模擬協議。

關鍵字

量子、感測器、數學

背景

在大多數的日常活動中，例如騎自行車、乘坐電梯、抓一隻球，經典（牛頓）力學是完全精準的。然而，在原子和亞原子尺度上，描述大自然卻是用量子力學。

這項理論形成於約100年之前，理論物理學家理查德費曼（Richard Feynman）曾如此評論：

「我認為我可以有把握地說，沒有人理解量子力學。」

直到今天，理解由大量互相作用的粒子組成的量子力學系統的機制，仍然是物理學中最有難度的問題之一。

創新

為應對這一挑戰，來自英國斯望西大學物理系的量子信息理論學家開展了一個跨學科合作研究項目，開發出一種新型量子模擬協議。

（圖片來源: 參考資料【2】）

在發表於《 Physical Review X 》期刊上的理論研究中，高能理論物理學家 Gert Aarts 教授、 Markus
Müller 博士、Alejandro Bermudez 博士一起使用冷原子作為可控的量子感測器，實驗性地研究了相互作用的量子場理論的關鍵特性。研究結果可以闡明凝聚態物質和高能物理中的困難的開放性問題。

技術

量子場理論為描述自然界中跨越許多能量尺度的各種系統，從實驗室中的超冷原子到大型強子對撞機（ Large Hadron Collider）中的大多數高能粒子，提供了一種統一的語言。

（圖片來源: 參考資料【2】）

Alejandro Bermudez 表示：

「量子場理論的基石是所謂的生成泛函，由此可以推導出粒子之間所有的相互關係。」

Aarts 教授補充道：

「它通常被當作一種數學工具，將所有關於量子場理論的信息熟練地壓縮成單一的、有點抽象的數量。」

在這項研究中，團隊展示了如何使用激光冷卻的被囚禁離子的弦，在實驗室中實際測量生成泛函。這個新機制的核心理念就是將生成泛函的相關信息映射到一組相互糾纏的量子感測器上，編碼在離子的電子狀態中。

（圖片來源: 參考資料【2】）

Müller 解釋道：

「然後，這些量子感測器通過一系列精準時控的脈衝耦合成量子場，就像鋼琴的琴鍵，它必須在不同時間按下，從而形成旋律。這種旋律，與實驗的干涉測量信號相一致，含有量子場理論的相關信息。」

價值

這些結果是量子模擬相關的更廣泛話題中的重要一步。這種量子模擬旨在通過可精準操控的實驗系統，理解量子多體物理學問題，從而進行量子場理論的研究。

參考資料

【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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