量子模拟器中的“弯曲时空”

光子盒研究院出品

当你想解释宇宙尺度的现象时，相对论很有效：比如黑洞碰撞时产生的引力波；量子理论在描述粒子尺度的现象时效果很好（比如原子中单个电子的行为）。但是，将这两者以一种完全令人满意的方式结合起来还没有实现。寻找 “量子引力理论”被认为是科学中未解决的重要任务之一。

因为这个领域的数学非常复杂，同时，进行适当的实验也很困难：我们必须创造一些情况，让相对论现象发挥重要作用（例如，被重质物弯曲的时空），同时，量子效应变得明显（例如，光的双重粒子和波的性质）。

在奥地利维也纳的TU Wien，现在已经为此开发了一种新的方法：一个“量子模拟器”被用来探究这些问题的本质。 人们不是直接研究感兴趣的系统（即弯曲时空中的量子粒子），而是创建一个“模型系统”，然后，类比从该系统中了解一些实际感兴趣的系统。研究人员现在已经表明，这种量子模拟器工作得非常好。

来自克里特大学、南洋理工大学和柏林大学的物理学家参与的这项国际合作的结果《在量子场模拟器中对弯曲的光锥进行实验观察(Experimental observation of curved light-cones in a quantum field simulator)》，现在发表在《美国科学院院刊(PNAS)》上。

量子模拟器的基本想法很简单：许多物理系统是相似的。即使它们是完全不同种类的粒子或不同尺度的物理系统：乍一看，彼此没有什么关系，但这些系统可能在更深的层次上遵守相同的规律和方程。这意味着人们可以通过研究一个特定的系统来了解一些情况。

“我们采取的是一个我们知道可以在实验中很好地控制、调整的量子系统，”维也纳工业大学原子研究所的Jörg Schmiedmayer教授说：“在我们的案例中，这些是超冷原子云，由一个原子芯片用电磁场保持和操纵。”

“假设你适当地调整这些原子云、使它们的特性可以转化为另一个量子系统。在这种情况下，你可以从原子云模型系统的测量中了解到另一个系统的一些情况：就像你可以从连接在金属弹簧上的质量的振荡中，了解到关于钟摆的振荡的情况—— 它们是两个不同的物理系统，但一个可以转化为另一个。”

“我们现在已经能够证明，我们可以通过这种方式产生效果、用来模拟类似于时空的曲率。”维也纳量子科学技术中心(VCQ)、维也纳大学、本论文的第一作者Mohammadamin Tajik说道。

引力透镜效应是相对论所解释的一个效应的例子。通过量子粒子，可以研究类似的效应。

在真空中，光沿着一个所谓的“光锥(light cone)”传播。光速是恒定的；在相等的时间内，光在每个方向上传播的距离是相同的。然而，如果光受到重质量的影响（例如太阳的引力），这些光锥就会弯曲。在弯曲的时空里，光的路径不再是完全笔直的——这被称为“引力透镜效应”。

现在，同样的情况可以在原子云中显示出来：人们不再研究光速，而是研究音速。“现在我们有一个系统，其中有一个对应于时空曲率或引力透镜的效应；但同时，它是一个量子系统，你可以用量子场理论来描述。”Mohammadamin Tajik说：“有了这个，我们就有了一个全新的工具来研究相对论和量子理论之间的联系。”