量子規(guī)范理論是現(xiàn)代物理學(xué)的核心框架之一，廣泛應(yīng)用于描述粒子相互作用和物質(zhì)的基本規(guī)律。特別是在凝聚態(tài)物理和高能物理中，拓?fù)洇冉亲鳛橐环N重要的拓?fù)漤?xiàng)，受到廣泛關(guān)注。它在量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）中引發(fā)了強(qiáng)CP問(wèn)題，并且能夠在拓?fù)浣^緣體的有效電動(dòng)力學(xué)理論中出現(xiàn)，進(jìn)而影響電子、光子等粒子的行為。盡管類(lèi)比量子模擬器被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)和控制拓?fù)洇冉堑臐撛诠ぞ撸捎谄錁O高的復(fù)雜性和精度要求，如何在實(shí)驗(yàn)中準(zhǔn)確調(diào)節(jié)θ角仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。有鑒于此，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團(tuán)隊(duì)、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室苑震生教授課題組以及慕尼黑大學(xué)Jad C. Halimeh攜手在“Nature Physics”期刊上發(fā)表了題為“Observation of microscopic confinement dynamics by a tunable topological θ-angle”的最新論文。科學(xué)家們提出通過(guò)量子模擬器實(shí)現(xiàn)可調(diào)拓?fù)洇冉嵌鹊膶?shí)驗(yàn)方案。最近的研究突破了這一難題，提出通過(guò)傾斜的超晶格勢(shì)能來(lái)引入有效的背景電場(chǎng)，進(jìn)而在玻色–哈伯德模型的量子模擬器中實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)通過(guò)原子精度的量子氣體顯微鏡，直接觀察了（1+1）維量子電動(dòng)力學(xué)中的限制–解耦轉(zhuǎn)變。研究人員監(jiān)測(cè)了粒子–反粒子對(duì)的實(shí)時(shí)演化，成功區(qū)分了限制相與解耦相。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果為實(shí)現(xiàn)拓?fù)洇软?xiàng)提供了重要的實(shí)驗(yàn)支持，展示了量子模擬器在研究高能物理和凝聚態(tài)物理中拓?fù)湫?yīng)的巨大潛力。
研究亮點(diǎn)
- 實(shí)驗(yàn)首次實(shí)現(xiàn)了可調(diào)拓?fù)洇冉嵌鹊牟ＩC哈伯德規(guī)范理論量子模擬器，并通過(guò)傾斜的超晶格勢(shì)能誘導(dǎo)了有效的背景電場(chǎng)。這是首次在量子模擬器中成功實(shí)現(xiàn)可調(diào)拓?fù)洇冉嵌龋⒗迷摻嵌妊芯苛孔与妱?dòng)力學(xué)的限制–解耦轉(zhuǎn)變。
- 實(shí)驗(yàn)通過(guò)原子精度量子氣體顯微鏡，直接觀察了（1+1）維量子電動(dòng)力學(xué)中的限制–解耦轉(zhuǎn)變。通過(guò)監(jiān)測(cè)粒子–反粒子對(duì)的實(shí)時(shí)演化，實(shí)驗(yàn)區(qū)分了限制相和解耦相，并通過(guò)這一現(xiàn)象驗(yàn)證了θ角度的影響，成功展示了拓?fù)漤?xiàng)在量子模擬器中的物理效果。
- 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，θ角度的變化與粒子–反粒子對(duì)的傳播特性密切相關(guān)。當(dāng)θ角度接近π時(shí)，粒子對(duì)表現(xiàn)出受限的傳播特性，而當(dāng)θ角度偏離π時(shí)，粒子對(duì)的傳播變得彈道化。這為研究（1+1）維量子電動(dòng)力學(xué)的相變提供了新的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
圖文解讀
圖1: U(1) 量子鏈路模型quantum link model，QLM的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)及其相圖。圖2: 密度和兩點(diǎn)關(guān)聯(lián)，沿可調(diào)拓?fù)洇冉堑难莼Q于與0的偏差χ指定。 圖3: 粒子-反粒子對(duì)的微觀動(dòng)力學(xué)。圖4: 空穴對(duì)的微觀動(dòng)力學(xué)。
總結(jié)展望
本文通過(guò)監(jiān)測(cè)帶有可調(diào)拓?fù)洇冉嵌鹊牧Ｗ莹C反粒子對(duì)的微觀動(dòng)力學(xué)，直接觀察了U(1)量子鏈規(guī)范理論中的限制–解耦轉(zhuǎn)變。此外，作者還發(fā)現(xiàn)，在未調(diào)節(jié)拓?fù)洇冉嵌鹊那闆r下，系統(tǒng)仍然存在限制相。在這種情況下，較大的負(fù)質(zhì)量和高斯定律導(dǎo)致了真空–真空對(duì)激發(fā)的受限動(dòng)力學(xué)。這些發(fā)現(xiàn)基于作者的量子模擬器，該模擬器結(jié)合了位點(diǎn)解析的量子氣體顯微鏡與模式可編程的光學(xué)超晶格，具有生成任意初始態(tài)和靈活調(diào)整陷阱勢(shì)能及時(shí)間–空間–粒子數(shù)解析檢測(cè)的多種能力。作者的實(shí)驗(yàn)觀察與數(shù)值基準(zhǔn)結(jié)果一致，定量地驗(yàn)證了量子模擬器的有效性，并表明該模擬器可以作為未來(lái)探索規(guī)范理論豐富物理現(xiàn)象的強(qiáng)大平臺(tái)，例如弦斷裂、虛真空衰變和量子熱化。此外，作者還可以探索可調(diào)拓?fù)洇冉嵌仍谀蹜B(tài)現(xiàn)象中的應(yīng)用，如動(dòng)態(tài)量子相變、無(wú)失序定域以及其他違反遍歷性的現(xiàn)象。通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化陷阱勢(shì)能以減輕不均勻效應(yīng)，作者可以將量子模擬器的規(guī)模擴(kuò)展若干倍，從而在經(jīng)典模擬中實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)勢(shì)。此外，作者當(dāng)前實(shí)施量子鏈模型（QLMs）的方案還可以擴(kuò)展到更高自旋截?cái)嗪透呖臻g維度，進(jìn)而觀察到更豐富的奇異規(guī)范理論物理現(xiàn)象。Zhang, WY., Liu, Y., Cheng, Y. et al. Observation of microscopic confinement dynamics by a tunable topological θ-angle. Nat. Phys. (2024). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02702-x
