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从实验中“一键生成”量子场论

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物质的相变是如何产生的?铁磁性又是如何产生的?一直以来,理解这类集体性的宏观行为都是物理学中的一项巨大挑战。许多这样的问题都可以借助量子场论的威力来解决。量子场论在描述如超导性、量子霍尔效应等涉及到大量粒子相互作用的系统方面扮演着核心角色。因此,从宇宙学,到高能物理学,再到凝聚态物理学,量子场论都至关重要。

量子场论会通过将一个系统描述为在空间和时间上的场,并忽略掉系统中的许多微观细节来解决问题。然而在通常情况下,为一个特定的问题去构建其量子场论模型是件非常复杂的任务,尤其是当这个系统是由许多相互作用的粒子组成的时候。因为要从实验中获得理论参数是很困难的,这会限制理论的预测能力。

现在,维也纳大学和海德堡大学的一个研究团队发展出了一种新的方法,可以直接从实验测量中获得量子场论模型。这种方法可以将实验数据整合到量子场论的构建中,从可测量的相关函数中得到构建量子场论所需的一些关键的基本构件。然后,研究人员用量子模拟器对这种方法进行了实验验证。

这一结果被发表在了近期的《物理评论X》上,研究人员希望这一方法将能帮助物理学家利用实验来改进或发展可适用于各种不同实验系统的量子场论。

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近年来,量子模拟器是一种备受关注的研究量子物理系统的方法。由于有的量子系统(如高温超导体)欠缺令人满意的描述,还有的量子系统(如大爆炸后不久的早期宇宙)根本无法被直接观测到,因此想要对这些量子系统进行研究,就可以选择一个能在实验室中实现并控制的系统,并对它进行调整,使它的行为与真正感兴趣的目标系统相似。

如果能够创建并精确测量这样一个可控的模拟系统,那么观测到的实验数据也就能直接反应目标系统的动力学。这之所以可行,是因为不同系统的不同量子物理描述之间具有一些基本的相似性。现在,这种方法正在许多实验室中借用超冷原子、量子光学装置或超导电路得以实践。

然而,虽然量子模拟可以为特定的问题提供解决方案,但它不具有量子场论的一般适用性。无论科学家们研究的是怎样的量子系统,他们总会遇到这样一个基本问题:如果系统所涉及的粒子数量太多,那么量子理论的公式很快就会变得过于复杂,复杂到即使用世界上最强大的超级计算机也无法进行求解。而物理学家想要研究的正是那些由许多粒子构成的系统,因为这也往往是在现实世界中发挥作用的系统。

○ 多粒子系统的量子理论无法被精确求解,它需要近似。| 图片来源:TU Wien

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一般说来,我们是无法为多粒子系统求解出精确的量子理论的。因此,物理学家要做的必须是找到一个包含所有基本属性的简化版量子描述,但不能再依赖于每个单个粒子的细节。这就好比在描述气体时,我们不会对气体中的每个原子都感兴趣,而是对如压强、温度等一般变量更感兴趣。

那么对多体系统要如何得出这样的理论呢?纯粹从数学上推导出适用于单个粒子的自然法则会是极其复杂的,而且就现在看来,这也是不必要的。从某种意义上说,物理学家在新研究中所发现的那种可以直接从实验中读取量子场论描述的方法,是自然告知我们的公式,我们必须用这个公式来描述自然。

每一个量子理论都必须遵循一定的形式规则,比如相关性、传播子、顶点、费曼图等,这些都是每个量子物理模型的基本组成部分。因此在新的研究中,物理学家找到了一种可以在实验中获取这些独立的基本构件的方法。他们将量子场论和量子模拟结合了起来,发现量子模拟器实验可以直接用来确定场论的基本构件。

在新的方法中,研究人员采用了一个基于所谓的时相位相关函数的量子场论公式。这种相关测量的是在给定时间上,处于两个点上的场的相位相差一定数量的概率。换句话说,新的研究为量子场论的参数和可测相关函数之间建立了直接联系。

○ 在实验中,研究人员使用了成千上万的超冷原子云,这些原子被困在原子芯片(金)的磁阱中。从这些原子云的量子波型中,研究人员可以确定相关函数,并从这些相关函数中推导出恰当理论的基本构件。| 图片来源:TU Wien

新研究的成功为将来研究更复杂的例子铺平了道路。研究人员希望,这一发现可以大大简化量子多体系统的研究,从而为物理学中的一些重大问题带来新的启发。

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