EPFL物理学家们提出了一种新的“量子模拟器”：一种基于激光的设备，可以用来研究大范围的量子系统。研究人员发现，光子在接近绝对零度的温度下可以表现得像磁偶极子，这符合量子力学定律。简单的模拟器可以更好地理解复杂材料在这种极端条件下的性能。当受到量子力学定律的约束时，由许多相互作用粒子组成的系统可以表现出如此复杂的行为，以至于它的定量描述超出了世界上最强大计算机的能力。
博科园-科学科普：1981年，有远见卓识的物理学家理查德·费曼提出：可以用一种由同样量子定律控制的人工设备来模拟这种复杂行为，这种人工设备后来被称为“量子模拟器”。复杂量子系统的一个例子是放置在低温下的磁铁。接近绝对零度(-273.15摄氏度)时，磁性材料可能会经历所谓的“量子相变”。就像传统相变(比如冰融化成水，或者水蒸发成蒸汽)一样，系统仍然在两种状态之间切换，除了接近相变点时系统表现出量子纠缠——量子力学预测的最深刻特征。对实验物理学家来说，在真实材料中研究这种现象是一项极具挑战性的任务。
研究人员Riccardo Rota和Vincenzo Savona正在设计他们的量子模拟器。图片：R. Ravasio/EPFL
但是由EPFL文森佐·萨沃纳(Vincenzo Savona)领导的物理学家们现在提出了一个量子模拟器，有望解决这个问题。萨沃纳实验室的博士后里卡多·罗塔(Riccardo Rota)说：这个模拟器是一个简单的光子设备，可以很容易地用当前的实验技术建造和运行。但更重要的是，它可以模拟真实、相互作用的磁铁在非常低温度下的复杂行为。模拟器可以使用超导电路建造——现代量子计算机使用的技术平台相同。这些电路与激光场耦合，从而在光粒子(光子)之间产生有效的相互作用。当研究模拟器时，发现在真实材料中，光子在量子相变中的表现与磁偶极子相同。
简而言之，现在可以用光子在量子磁体上进行虚拟实验，而不必自己设置实验。萨沃纳说：我们是理论家，想到了这个特殊量子模拟器的想法，并用传统计算机模拟来模拟它的行为，当量子模拟器处理一个足够小的系统时，就可以做到这一点。研究结果证明，所提出的量子模拟器是可行的，目前正在与希望实际建造并使用实验来验证。可以理解的是，模拟器可以应用于广泛的量子系统，能使物理学家研究几个复杂的量子现象，这是量子技术发展的一个真正显著进步。
博科园-科学科普｜研究/来自:Ecole Polytechnique Federale de Lausanne
参考期刊文献:《物理评论快报》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.110405
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