该实验重现了被称为阿哈罗诺夫-玻姆效应的现象，在该现象中，带电粒子在包含磁通量的区域周围运动时，其量子态会发生可测量的变化，即使其路径从未穿过磁场本身。
牛津大学团队利用一个将量子比特（量子信息的基本单位）与代表振动运动的量子振荡器相结合的量子系统实现了这一目标。他们的研究结果发表在《自然-物理学》（Nature Physics）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，而这些相互作用越来越难以用传统计算机进行模拟。
1959年预言的奇异量子效应
在日常物理学中，带电粒子会对其遇到的电场和磁场作出反应。然而，量子力学揭示出粒子的行为方式在我们的日常经验中没有直接的对应物。
1959年，物理学家亚基尔·阿哈罗诺夫和戴维·玻姆预言，即使带电粒子完全在包含磁场的区域之外运动，它也会受到磁通量的影响。粒子不会在其路径上经历传统的磁力，而是会经历量子相位的改变。
量子相位描述了粒子波动行为的一个方面，它影响着不同可能路径之间的相互干涉方式。虽然相位本身不能直接观察到，但相位的差异可以产生可测量的效应。
这一预言被称为阿哈罗诺夫-玻姆效应，并最终在涉及真实电子的实验中得到验证。它仍然是最JianCe的证明之一，表明量子世界遵循着超越经典物理学熟悉定律的规则运行。
研究人员目前正在探索这种现象在更复杂的被称为格点规范理论的理论系统中是如何表现的。
这些理论描述了物质如何与同基本力相关的场相互作用。它们将空间表示为一个网格，物质位于各个单独的点上，而场则与它们之间的连接相关联。此类模型在粒子物理学和高能物理学中尤为重要，科学家在这些领域研究构成宇宙的基本粒子和相互作用。
面临的挑战是，随着这些系统变得越来越复杂，其数学计算要求也变得极其苛刻。即使是强大的传统计算机也难以计算所有相互作用的组件是如何演化的。
量子计算机提供了一种不同的方法。科学家无需尝试使用经典计算方法来计算量子系统的每一个方面，而是可以构建另一个遵循相同底层规则的量子系统。然后，他们可以直接观察其行为，这种方法被称为量子模拟。
科学家如何构建量子实验
这个牛津大学的项目始于2022年，当时第一作者塞巴斯蒂安·萨纳博士、奥阿纳·巴扎万博士及其同事开始开发一种使用混合量子系统模拟格点规范理论的方法。他们与马德里理论物理研究所的亚历杭德罗·贝穆德斯博士进行了合作。
他们的实验设计依赖于执行不同功能的两种不同的量子组件。
第一种是由囚禁离子内部状态编码的量子比特组成的，囚禁离子是利用电磁场固定在原位的带电原子。这些量子比特代表了理论模型中的规范场。
第二种组件使用了由相同囚禁离子的振动产生的量子振荡器。这些振荡器代表了物质。
通过将两者结合，研究人员构建了一个简单的环路，作为格点规范理论的基本构建块。两个振荡器代表了两个不同位置的物质，而两个量子比特代表了连接这些位置的场。
尽管该结构很小，但它足以重现物质与磁通量之间的重要相互作用。
量子纠缠创造惊人解决方案
研究人员接下来将两个量子比特置于纠缠量子态。纠缠是一种量子系统以经典物理学无法完全解释的方式相互关联的现象。
在团队模拟的格点规范理论中，这种纠缠态代表了穿过环路中心的磁通量。
最初，研究人员计划将磁通量作为固定的背景条件引入。然而，产生必要的相互作用将需要他们的量子硬件所不具备的功能。
将磁通量直接编码到量子比特中提供了一种实用的替代方案。更重要的是，它允许磁通量成为演化量子系统的一部分，而不是保持不变的外部影响。
“对我们来说，令人兴奋的步骤是将磁通量编码到一个本身具有动力学的规范场中，”萨纳博士说。“物质不再在固定的背景中演化，而是物质和规范场成为了同一量子动力学的一部分。”
最初作为技术权宜之计的做法，最终使研究人员能够探索该现象更有趣的版本，即物质和场可以共同参与量子动力学。
阻止粒子运动的量子效应
在模拟环路就位后，科学家们研究了物质粒子如何通过被称为量子隧穿的过程在位置之间移动。
量子隧穿允许粒子以在通常的经典规则下不可能的方式在状态之间移动。
当研究人员在没有磁通量的情况下运行模拟时，粒子可以在环路周围自由隧穿。
引入模拟的磁通量产生了截然不同的结果。
粒子有两条围绕环路的可能路径，但磁通量改变了它们的相对量子相位。结果，两条路径发生了相消干涉，这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，使模拟粒子冻结在其初始状态。
结果证明了在包含动力学场的格点规范理论中的阿哈罗诺夫-玻姆效应。实验没有简单地重现粒子围绕固定磁影响运动的熟悉行为，而是展示了当物质和场都由相互作用的量子组件表示时，该现象是如何出现的。
探索基础物理学的新工具
牛津大学的研究结果与马里兰大学由诺伯特·林克教授领导的团队的相关研究一同发表。
马里兰大学团队也使用了混合量子系统，但他们的实验侧重于模拟汤川势，这是一种与核物理学和粒子物理学相关的相互作用的数学描述。
尽管两个研究小组独立开发了各自的方法，但他们后来协调了向《自然-物理学》（Nature Physics）提交研究的时间。
这两项实验共同展示了混合量子计算机如何成为研究难以使用经典模拟重现的基本相互作用的有价值工具。
通过结合不同类型的量子组件，研究人员可以构建出以更接近他们想要研究的物理学的方式来表示物质和场的系统。
牛津大学的实验提供了这种潜力的一个例子。一个在1959年首次预言、后来用电子观察到的现象，现在已经在场本身参与动力学的量子模拟器中被重现，为科学家提供了另一种探索支配量子世界的不寻常规则的方法。