“物理学家将这种特性称为普适性——杂乱的微观细节被抹平，只有少数本质特征保留下来，”理论物理学William K. Davis教授Jason Alicea解释道。
物理学家经常使用一种称为共形场论的数学框架来描述这种普适行为。
量子模拟器测试基础物理学
在发表于《自然》（Nature）的一项研究中，研究人员使用量子模拟器对两种不同的共形场论进行了同类首次实验。这些专用系统比通用量子计算机更简单，旨在重现特定的量子行为。
这项合作汇集了加州理工学院物理学教授Manuel Endres的实验小组、Alicea的理论小组，以及巴黎萨克雷大学和慕尼黑工业大学的理论学家。
利用新开发的量子模拟器技术，研究人员首次直接测量了伊辛和三临界伊辛共形场论所预测的合成量子物质中的能级。（伊辛指的是物理学家恩斯特·伊辛，他在20世纪20年代求解了一个早期的磁性模型。）
这两种理论都描述了当一个具有纠缠和叠加等不寻常特性的量子系统达到两种状态之间的临界点时可能出现的普适行为，其中一种状态比另一种更有序。
绝对零度附近的量子临界点
与水变成蒸汽这样的普通相变不同，这种相变不是由温度引起的。相反，它完全源于接近绝对零度温度下的量子效应。
在这个临界点，激光可以将系统激发到一系列特定的能态。研究人员将这些能级比作梯子的横档。
“这些理论预测的能级很重要，因为它们编码了关于理论本身的深刻信息，”Alicea说。
大约40年来，物理学家一直使用共形场论来计算这些能级横档之间的距离。这些能级预计以精确的比例出现，但直到这次实验之前，这些预测从未被直接测量过。
“我们的新工具借鉴了量子计算平台，”这项新研究的共同第一作者、在Endres实验室工作的研究生Xiangkai Sun说。“在过去的10年里，人们一直在学习控制这些系统，现在我们到了可以使用它们进行基础物理研究的阶段。”
用激光捕获原子
该实验建立在Endres实验室同样用于开发量子计算机的技术之上。该系统依赖于由紧密聚焦的激光（即光镊）固定在原位的中性原子阵列。
实验室中一个相关的中性原子平台最近达成了一项重大里程碑，在单个阵列中捕获了6,100个原子。
尽管光镊阵列主要是为量子计算而开发的，但研究人员却利用该技术来研究物理学中的一个基本问题。
他们使用光镊将锶原子排列成一条直线。然后，额外的激光将原子推入被称为里德堡态的高激发能态。在这些状态下，相邻原子之间产生强烈的相互作用。
这些相互作用使得原子链表现出集体行为，而不是作为独立的单个粒子。随后，研究人员调节激光，直到整个系统达到他们想要研究的临界点。
测量隐藏的能级阶梯
为了探测预测的能级，研究人员开发了一种称为多体调制光谱学的技术。
他们通过以特定频率改变激光来轻轻扰动整个原子链，然后测量原子响应的强度。通过扫描多个频率并寻找响应中的峰值，研究人员能够识别出不同的能级。
其基本原理类似于用湿手指摩擦酒杯边缘。当摩擦的频率与酒杯的固有频率匹配时，酒杯会产生共振并发出声音。而在其他频率下，几乎不会发生任何反应。
“我们在多达35个原子的链上重复了实验，横档的出现与伊辛共形场论的预测一致：一旦根据尺寸重新标定，光谱就会坍缩到一条单一的普适曲线上，”Sun说。“然后我们调谐到三临界点，并测量了其独特光谱的最低能级，结果得出的比例与理论预测的不同。”
从单个原子中显现的隐藏模式
由于科学家能够单独控制每个原子，他们能够执行在常规材料中难以实现的测量。
该团队根据对称性对激发进行了分类，揭示了在初始测量中隐藏的第二组能级横档。
他们还改变了链两端原子的行为。这样做重新排列了能级阶梯，产生了与三临界伊辛理论预测相匹配的不同模式。
“尽管我们相信这些理论是正确的，但拥有一个实验实现——一个你可以戳一戳、探一探的东西——是很重要的，”Alicea说。“看到这些预测得到证实是一件美妙的事情。”
将量子模拟推向新领域
研究人员现在计划将实验扩展到更大的量子系统。他们不仅希望将原子排列成一条直线，还希望研究原子网格。
“在二维情况下，共形场论还没有被完全理解，所以这是一个令人兴奋的机会，”Sun说。
这可能使科学家能够研究那些行为尚无法精确计算的量子系统，其中可能包括对经典计算机来说过于困难的问题。
“让我感到兴奋的是，这项技术不需要预先知道答案。在这里，我们可以根据精确的预测来检验我们的测量结果，”Endres说。“下一步是将其应用于没有人定量了解系统响应的系统中——包括经典计算机无法触及的领域。”
这项发表于《自然》（Nature）的研究，题为“在量子模拟器中观察共形场论光谱”，由美国能源部（包括其量子系统加速器和量子科学中心）、美国国家科学基金会（包括加州理工学院的量子信息与物质研究所(IQIM)）、陆军研究办公室、国防高级研究计划局、空军科学研究办公室、戈登与贝蒂·摩尔基金会以及德国研究基金会资助。
其他加州理工学院的作者包括Yuan Le、Stephen Naus、Richard Bing-Shiun Tsai和Lewis Picard（目前在加州理工学院相关的初创公司Oratomic工作）。其他作者还包括巴黎萨克雷大学的Sara Murciano（曾任加州理工学院博士后研究员）以及慕尼黑工业大学和慕尼黑量子科学与技术中心的Michael Knap。