科学家重现神秘量子效应，让粒子完全静止
一个粒子不需要穿过磁场就能受到磁场的影响。
这一令人惊讶的量子物理现象，如今已被牛津大学的研究人员重新验证。
他们利用一台混合量子计算机，演示了一种看不见的磁性影响如何能让模拟粒子的运动完全停止。
这项实验重现了一种被称为阿哈罗诺夫-玻姆效应的现象：当一个带电粒子环绕某一包含磁通量的区域运动时，即便其运动路径从未穿过磁场本身，其量子态也会发生可测量的变化。
牛津团队通过一套结合了量子比特（量子信息的基本单元）与量子振荡器（代表振动运动）的量子系统实现了这一实验。
他们的研究成果发表在《自然·物理学》期刊上，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，而这类问题用传统计算机模拟起来正变得愈发困难。
1959年预言的奇特量子效应
在日常物理学中，带电粒子会对其所遇到的电场和磁场作出反应。
然而，量子力学揭示了粒子的某些行为方式，在我们的日常经验中找不到对应的解释。
1959年，物理学家雅基尔·阿哈罗诺夫和戴维·玻姆预言，即便一个带电粒子的运动路径完全处在磁场区域之外，它仍然会受到磁通量的影响。
粒子不会沿路径经历传统意义上的磁力作用，而是其量子相位会发生变化。
量子相位描述的是粒子波动行为的一个方面，它影响着不同可能路径之间如何相互干涉。
虽然相位本身无法直接观测，但相位的差异能够产生可测量的效果。
这一预言后来被称为阿哈罗诺夫-玻姆效应，并最终在涉及真实电子的实验中得到了验证。
它至今仍是证明量子世界遵循超越经典物理学常规法则的最清晰例证之一。
如今，研究人员正在探索这一现象在更复杂的理论系统——晶格规范理论中的表现。
这类理论描述了物质如何与基本力相关的场发生相互作用。
它们将空间表示为一个网格，物质位于各个独立的点上，而场则与各点之间的连接相关联。
这类模型在粒子物理学和高能物理学中尤为重要，科学家借此研究构成宇宙的基本粒子及其相互作用。
挑战在于，随着这些系统变得越来越复杂，其数学计算难度也会急剧上升。
即便是强大的传统计算机，也难以计算所有相互作用的组成部分是如何演化的。
量子计算机提供了一种不同的思路。
科学家无需试图用经典计算方法来计算量子系统的方方面面，而是可以构建另一个遵循相同底层规则的量子系统，然后直接观察其行为——这种方法被称为量子模拟。
科学家如何搭建这项量子实验
这个牛津项目始于2022年，由主要作者塞巴斯蒂安·萨纳博士、奥安娜·巴扎万博士及其同事发起，他们着手开发一种利用混合量子系统模拟晶格规范理论的方法。
他们还与马德里理论物理研究所的亚历杭德罗·贝尔穆德斯博士展开了合作。
他们的实验设计依靠两种执行不同功能的量子组件。
第一种组件由编码在被困离子（通过电磁场固定位置的带电原子）内部状态中的量子比特构成。
这些量子比特代表了理论模型中的规范场。
第二种组件则利用这些被困离子自身振动所产生的量子振荡器。
这些振荡器代表的是物质。
通过将两者结合，研究人员构建出了一个简单的环路，作为晶格规范理论的基本构建单元。
两个振荡器代表位于两个不同位置的物质，而两个量子比特则代表连接这两个位置的场。
尽管这套装置规模很小，但已足以重现物质与磁通量之间的重要相互作用。
量子纠缠带来意外解决方案
接下来，研究人员将两个量子比特置于一种纠缠的量子态中。
量子纠缠是一种量子系统以无法用经典物理学完全解释的方式相互关联的现象。
在该团队模拟的晶格规范理论中，这种纠缠态代表了穿过环路中心的磁通量。
最初，研究人员曾计划将磁通量作为一种固定的背景条件引入系统。
然而，创造出所需的相互作用需要他们的量子硬件所不具备的能力。
将磁通量直接编码进量子比特中，提供了一种切实可行的替代方案。
更重要的是，这使得磁通量能够成为这个演化中的量子系统的一部分，而不再是一种保持不变的外部影响因素。
“对我们而言，令人兴奋的一步是将磁通量编码进一个本身具有动态性的规范场中，”萨纳博士说道，“物质不再是在一个固定的背景中演化，而是物质与规范场成为了同一量子动力学过程的组成部分。
”
最初只是一种技术上的权宜之计，最终却让研究人员得以探索这一现象更有趣的版本——即物质与场能够共同参与量子动力学过程。
让粒子运动停止的量子效应
搭建好模拟环路后，科学家们研究了物质粒子如何通过一种被称为量子隧穿的过程在各位置之间移动。
量子隧穿使粒子能够以在普通经典规则下不可能实现的方式，在不同状态之间转移。
当研究人员在没有磁通量的情况下运行模拟时，粒子可以在环路中自由隧穿。
而引入模拟的磁通量后，结果截然不同。
粒子沿环路存在两条可能的路径，但磁通量改变了这两条路径的相对量子相位。
结果，这两条路径发生了相消干涉，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效应，使模拟粒子被“冻结”在了原始状态中。
这一结果证明了在含有动态场的晶格规范理论中存在阿哈罗诺夫-玻姆效应。
这项实验不只是简单重现了粒子围绕固定磁性影响运动的常见行为，还展示了当物质与场都由相互作用的量子组件来表示时，这种现象是如何涌现出来的。
探索基础物理学的全新工具
牛津的这项研究成果与马里兰大学诺伯特·林克教授团队的一项相关研究同期发表。
马里兰团队同样使用了混合量子系统，但他们的实验侧重于模拟汤川势——一种描述核物理与粒子物理相关相互作用的数学模型。
尽管这两个研究团队各自独立开发出了自己的方法，但他们后来协调一致，将各自的研究共同提交给了《自然·物理学》期刊。
这两项实验共同表明，混合量子计算机有望成为研究那些难以用经典模拟方法重现的基本相互作用的重要工具。
通过组合不同类型的量子组件，研究人员可以构建出能够更贴近地反映所研究物理过程的系统，让物质与场以更接近真实情况的方式呈现出来。
牛津的这项实验正是这种潜力的一个例证。
一个在1959年首次被预言、后来通过电子实验得以观测的现象，如今已在一台量子模拟器中被重新实现——在这台模拟器中，场本身也参与到了动力学过程之中，这为科学家探索支配量子世界的奇特法则提供了又一种全新途径。
Q&A
Q1：阿哈罗诺夫-玻姆效应是什么？
A：阿哈罗诺夫-玻姆效应是指一个带电粒子在环绕某一包含磁通量的区域运动时，即便其路径从未穿过磁场本身，其量子态也会发生可测量变化的现象。
这一效应由物理学家雅基尔·阿哈罗诺夫和戴维·玻姆于1959年预言，并已在真实电子实验中得到验证。
Q2：牛津大学的研究人员是如何重现这一效应的？
A：研究人员使用了一台混合量子计算机，结合了代表规范场的量子比特和代表物质的量子振荡器，构建出一个简单的环路模型。
通过将量子比特置于纠缠态来代表磁通量，他们成功观察到磁通量导致粒子两条可能路径发生相消干涉，从而完全抑制了量子隧穿现象。
Q3：这项研究对未来的科学研究有什么意义？
A：这项研究表明，混合量子计算机可以成为研究物质与场之间基本相互作用的有力工具，尤其适用于晶格规范理论等用传统计算机难以模拟的复杂系统，为粒子物理学和高能物理学研究提供了新的实验途径。
量子信息+熵，能解释宇宙的演化吗
热力学第二定律，也许是物理里最根本的几条原理之一。它说，一个系统的熵只会随时间增加，不会减少。
这也是唯一一条能指明"时间箭头"朝哪走的物理定律。
熵，说白了就是无序的程度：熵越低，结构越有序；熵越高，越散乱。
糖从浓处向淡处扩散、气体膨胀、咖啡放凉，背后都是熵在增加。
人们相信，宇宙的演化也遵循这条定律。
宇宙早年处于低熵状态，一路演化到高熵。
可就在这个过程中，宇宙造出了一些极其复杂的结构——星系就是代表。
星系的熵很低，却是在一个高熵的环境里形成的。
这看起来像是在违反第二定律。
这个存在已久的矛盾，正是物理学家金妮斯特拉·比安科尼想解决的难题。
引力、熵与量子信息的交织，是比安科尼理论的视觉主题（图片来源：Physics World） 在爱因斯坦的广义相对论里，有个叫"度规"的数学对象，描述时空是怎么弯曲的；物质沿着这条弯曲走，就表现成了引力。
而在量子力学里，"算符"是对量子态做变换的数学工具。
比安科尼的关键一步，就是把这个"度规"当成量子算符来用，用量子化的方式描述时空的几何。
这样一来，会冒出两个"度规"：一个是"真实"的时空度规，一个是由物质和能量诱导出来的度规。
两者之间"差多少"，用量子信息论里的一个量来度量，叫量子相对熵。
正是这两个几何之间的量子相对熵，决定了时空怎么演化——换句话说，它给出的运动方程，就是引力。
在低曲率极限下，这套方程能精确还原爱因斯坦的广义相对论。
可一旦超出这个极限，方程就得被一个叫"G场"的对象修正。
G场生出一个暗能量项，而且是动态的。
暗能量被认为是直接推动宇宙膨胀的东西；在标准广义相对论里，它由静态的宇宙学常数驱动。
现在冒出一个动态的暗能量项，就有了被实验检验的机会。
比安科尼又把这套理论用到了弗里德曼-罗伯逊-沃克（FRW）宇宙模型上。
这是广义相对论对宇宙行为的一级近似，假设宇宙各向同性、处处均匀、且在膨胀。
膨胀由宇宙的主导成分驱动——暗物质、普通物质，或辐射。
宇宙膨胀时，体积变大，总熵也跟着变大。
但正因为体积涨得更快，单位体积里的熵——也就是熵密度——反而随时间下降。
总熵在涨，局部熵密度却在降，这就给了星系、甚至生命这类低熵结构一个在膨胀宇宙里被造出来的机制。
那这算不算违反第二定律？比安科尼用非空的 FRW 宇宙算了一遍总熵：要把熵密度在整个时空区域上积分，而因为体积随时间变大，总熵成了时间的函数——膨胀的速度超过了熵密度衰减的速度。
所以对辐射主导和物质主导的宇宙，总熵依然随时间增加，第二定律照样成立，尽管局部熵密度在下降。
比安科尼强调，GfE 理论还很年轻，需要实验来验证。
但这项工作揭示了它内在的热力学本质，为经典引力与量子引力都打开了新路——把引力用"量子信息"和"熵"来表述，也许正是通向"量子化引力"这个百年难题的另一条路径。
引力，也许并不是什么神秘的基本力，而只是信息与熵的必然结果。
若真如此，宇宙为什么要演化、为什么能长出星系和生命，答案也许就藏在这条最普通的第二定律里。
来源：S. Jones, "Could quantum information theory explain universe evolution?" Physics World, 14 Sep 2026. 报道所引研究：G. Bianconi, Physical Review D.
追踪13.4万亿个暗物质！百亿亿次超算用4天完成这场模拟
科技日报记者 刘霞 美国能源部阿贡国家实验室日前发布消息称，该机构科学家借助“极光”百亿亿次超级计算机，完成了迄今规模最大的两次宇宙学模拟。每次模拟都追踪了13.4万亿个暗物质粒子在286亿光年宽度区域内的演化过程。
这一成果有助于科学家研究宇宙暴胀，并为分析大型巡天观测数据提供重要支撑。
左图为百亿亿次级模拟生成的全天空光锥图；右图外圈显示宇宙微波背景辐射，扇区分别展示视线速度（红/蓝）、物质密度（灰）和引力势（绿/蓝）。
图片来源： 美国阿贡国家实验室 宇宙暴胀理论认为，极早期宇宙曾经历一段短暂而剧烈的快速膨胀。
这一过程将微观量子涨落拉伸到宇宙尺度，留下微小的密度差异；随后，引力把这些差异不断放大，最终形成我们今天看到的星系、星系团和宇宙大尺度结构。
然而，暴胀背后的具体物理机制仍未完全确定。
通过研究物质在宇宙中的分布，有望找到更多线索，探索宇宙最早期的秘密。
暗物质无法被望远镜直接看见，却凭借引力主导星系形成，并塑造更大尺度的宇宙结构。
在模拟中，暗物质粒子被用作暗物质密度和速度分布的“示踪剂”，团队由此得以追踪宇宙结构跨越数十亿年的演化轨迹。
标准宇宙暴胀模型预测，早期宇宙的密度涨落服从高斯分布，也就是最简单的一类随机模式。
科学家正努力寻找其中可能存在的微小偏差，即“原始非高斯性”。
一旦发现可测量的偏差，就可能暗示暴胀时期还存在其他场、相互作用或动力学过程，从而帮助区分关于宇宙最初时刻的不同理论。
然而，这类信号极其微弱，还可能被“宇宙方差”掩盖——由于观测只能采样宇宙的有限体积，统计不确定性难以完全消除。
因此，探测此类信号需要覆盖最大宇宙尺度的超大规模模拟。
而如此规模的模拟对算力要求极高。
团队在阿贡国家实验室的“极光”超级计算机上完成了计算。
模拟及大部分数据分析约4天完成，目标正是揭示宇宙暴胀的物理本质。
这些模拟数据将助力分析多项大型巡天项目，包括美国能源部支持的暗能量光谱仪（DESI）和NASA的SPHEREx任务，两者目前均处于数据采集阶段。
模拟与前沿观测相互印证，将共同描绘出更为精细的宇宙图景，推动人类对宇宙起源与演化的探索。
来源：科技日报
