科学家重现神秘量子效应，让粒子完全静止

一个粒子不需要穿过磁场就能受到磁场的影响。这一令人惊讶的量子物理现象，如今已被牛津大学的研究人员重新验证。他们利用一台混合量子计算机，演示了一种看不见的磁性影响如何能让模拟粒子的运动完全停止。

这项实验重现了一种被称为阿哈罗诺夫-玻姆效应的现象：当一个带电粒子环绕某一包含磁通量的区域运动时，即便其运动路径从未穿过磁场本身，其量子态也会发生可测量的变化。

牛津团队通过一套结合了量子比特（量子信息的基本单元）与量子振荡器（代表振动运动）的量子系统实现了这一实验。他们的研究成果发表在《自然·物理学》期刊上，展示了这种组合如何帮助科学家研究物质与场之间的基本相互作用，而这类问题用传统计算机模拟起来正变得愈发困难。

1959年预言的奇特量子效应

在日常物理学中，带电粒子会对其所遇到的电场和磁场作出反应。然而，量子力学揭示了粒子的某些行为方式，在我们的日常经验中找不到对应的解释。

1959年，物理学家雅基尔·阿哈罗诺夫和戴维·玻姆预言，即便一个带电粒子的运动路径完全处在磁场区域之外，它仍然会受到磁通量的影响。粒子不会沿路径经历传统意义上的磁力作用，而是其量子相位会发生变化。

量子相位描述的是粒子波动行为的一个方面，它影响着不同可能路径之间如何相互干涉。虽然相位本身无法直接观测，但相位的差异能够产生可测量的效果。

这一预言后来被称为阿哈罗诺夫-玻姆效应，并最终在涉及真实电子的实验中得到了验证。它至今仍是证明量子世界遵循超越经典物理学常规法则的最清晰例证之一。

如今，研究人员正在探索这一现象在更复杂的理论系统——晶格规范理论中的表现。

这类理论描述了物质如何与基本力相关的场发生相互作用。它们将空间表示为一个网格，物质位于各个独立的点上，而场则与各点之间的连接相关联。这类模型在粒子物理学和高能物理学中尤为重要，科学家借此研究构成宇宙的基本粒子及其相互作用。

挑战在于，随着这些系统变得越来越复杂，其数学计算难度也会急剧上升。即便是强大的传统计算机，也难以计算所有相互作用的组成部分是如何演化的。

量子计算机提供了一种不同的思路。科学家无需试图用经典计算方法来计算量子系统的方方面面，而是可以构建另一个遵循相同底层规则的量子系统，然后直接观察其行为——这种方法被称为量子模拟。

科学家如何搭建这项量子实验

这个牛津项目始于2022年，由主要作者塞巴斯蒂安·萨纳博士、奥安娜·巴扎万博士及其同事发起，他们着手开发一种利用混合量子系统模拟晶格规范理论的方法。他们还与马德里理论物理研究所的亚历杭德罗·贝尔穆德斯博士展开了合作。

他们的实验设计依靠两种执行不同功能的量子组件。

第一种组件由编码在被困离子（通过电磁场固定位置的带电原子）内部状态中的量子比特构成。这些量子比特代表了理论模型中的规范场。

第二种组件则利用这些被困离子自身振动所产生的量子振荡器。这些振荡器代表的是物质。

通过将两者结合，研究人员构建出了一个简单的环路，作为晶格规范理论的基本构建单元。两个振荡器代表位于两个不同位置的物质，而两个量子比特则代表连接这两个位置的场。

尽管这套装置规模很小，但已足以重现物质与磁通量之间的重要相互作用。

量子纠缠带来意外解决方案

接下来，研究人员将两个量子比特置于一种纠缠的量子态中。量子纠缠是一种量子系统以无法用经典物理学完全解释的方式相互关联的现象。

在该团队模拟的晶格规范理论中，这种纠缠态代表了穿过环路中心的磁通量。

最初，研究人员曾计划将磁通量作为一种固定的背景条件引入系统。然而，创造出所需的相互作用需要他们的量子硬件所不具备的能力。

将磁通量直接编码进量子比特中，提供了一种切实可行的替代方案。更重要的是，这使得磁通量能够成为这个演化中的量子系统的一部分，而不再是一种保持不变的外部影响因素。

“对我们而言，令人兴奋的一步是将磁通量编码进一个本身具有动态性的规范场中，”萨纳博士说道，“物质不再是在一个固定的背景中演化，而是物质与规范场成为了同一量子动力学过程的组成部分。”

最初只是一种技术上的权宜之计，最终却让研究人员得以探索这一现象更有趣的版本——即物质与场能够共同参与量子动力学过程。

让粒子运动停止的量子效应

搭建好模拟环路后，科学家们研究了物质粒子如何通过一种被称为量子隧穿的过程在各位置之间移动。

量子隧穿使粒子能够以在普通经典规则下不可能实现的方式，在不同状态之间转移。

当研究人员在没有磁通量的情况下运行模拟时，粒子可以在环路中自由隧穿。

而引入模拟的磁通量后，结果截然不同。

粒子沿环路存在两条可能的路径，但磁通量改变了这两条路径的相对量子相位。结果，这两条路径发生了相消干涉，意味着它们的量子贡献相互抵消了。

这种干涉完全抑制了隧穿效应，使模拟粒子被“冻结”在了原始状态中。

这一结果证明了在含有动态场的晶格规范理论中存在阿哈罗诺夫-玻姆效应。这项实验不只是简单重现了粒子围绕固定磁性影响运动的常见行为，还展示了当物质与场都由相互作用的量子组件来表示时，这种现象是如何涌现出来的。

探索基础物理学的全新工具

牛津的这项研究成果与马里兰大学诺伯特·林克教授团队的一项相关研究同期发表。

马里兰团队同样使用了混合量子系统，但他们的实验侧重于模拟汤川势——一种描述核物理与粒子物理相关相互作用的数学模型。

尽管这两个研究团队各自独立开发出了自己的方法，但他们后来协调一致，将各自的研究共同提交给了《自然·物理学》期刊。

这两项实验共同表明，混合量子计算机有望成为研究那些难以用经典模拟方法重现的基本相互作用的重要工具。

通过组合不同类型的量子组件，研究人员可以构建出能够更贴近地反映所研究物理过程的系统，让物质与场以更接近真实情况的方式呈现出来。

牛津的这项实验正是这种潜力的一个例证。一个在1959年首次被预言、后来通过电子实验得以观测的现象，如今已在一台量子模拟器中被重新实现——在这台模拟器中，场本身也参与到了动力学过程之中，这为科学家探索支配量子世界的奇特法则提供了又一种全新途径。

Q&A

Q1：阿哈罗诺夫-玻姆效应是什么？

A：阿哈罗诺夫-玻姆效应是指一个带电粒子在环绕某一包含磁通量的区域运动时，即便其路径从未穿过磁场本身，其量子态也会发生可测量变化的现象。这一效应由物理学家雅基尔·阿哈罗诺夫和戴维·玻姆于1959年预言，并已在真实电子实验中得到验证。

Q2：牛津大学的研究人员是如何重现这一效应的？

A：研究人员使用了一台混合量子计算机，结合了代表规范场的量子比特和代表物质的量子振荡器，构建出一个简单的环路模型。通过将量子比特置于纠缠态来代表磁通量，他们成功观察到磁通量导致粒子两条可能路径发生相消干涉，从而完全抑制了量子隧穿现象。

Q3：这项研究对未来的科学研究有什么意义？

A：这项研究表明，混合量子计算机可以成为研究物质与场之间基本相互作用的有力工具，尤其适用于晶格规范理论等用传统计算机难以模拟的复杂系统，为粒子物理学和高能物理学研究提供了新的实验途径。