量子规范理论是现代物理学的核心框架之一，广泛应用于描述粒子相互作用和物质的基本规律。特别是在凝聚态物理和高能物理中，拓扑θ角作为一种重要的拓扑项，受到广泛关注。它在量子色动力学（QCD）中引发了强CP问题，并且能够在拓扑绝缘体的有效电动力学理论中出现，进而影响电子、光子等粒子的行为。尽管类比量子模拟器被认为是实现和控制拓扑θ角的潜在工具，但由于其极高的复杂性和精度要求，如何在实验中准确调节θ角仍然是一个巨大的挑战。有鉴于此，中国科学技术大学潘建伟院士团队、合肥微尺度物质科学国家实验室苑震生教授课题组以及慕尼黑大学Jad C. Halimeh携手在“Nature Physics”期刊上发表了题为“Observation of microscopic confinement dynamics by a tunable topological θ-angle”的最新论文。科学家们提出通过量子模拟器实现可调拓扑θ角度的实验方案。最近的研究突破了这一难题，提出通过倾斜的超晶格势能来引入有效的背景电场，进而在玻色–哈伯德模型的量子模拟器中实现了这一目标。实验通过原子精度的量子气体显微镜，直接观察了（1+1）维量子电动力学中的限制–解耦转变。研究人员监测了粒子–反粒子对的实时演化，成功区分了限制相与解耦相。这一实验结果为实现拓扑θ项提供了重要的实验支持，展示了量子模拟器在研究高能物理和凝聚态物理中拓扑效应的巨大潜力。
研究亮点
- 实验首次实现了可调拓扑θ角度的玻色–哈伯德规范理论量子模拟器，并通过倾斜的超晶格势能诱导了有效的背景电场。这是首次在量子模拟器中成功实现可调拓扑θ角度，并利用该角度研究量子电动力学的限制–解耦转变。
- 实验通过原子精度量子气体显微镜，直接观察了（1+1）维量子电动力学中的限制–解耦转变。通过监测粒子–反粒子对的实时演化，实验区分了限制相和解耦相，并通过这一现象验证了θ角度的影响，成功展示了拓扑项在量子模拟器中的物理效果。
- 实验结果表明，θ角度的变化与粒子–反粒子对的传播特性密切相关。当θ角度接近π时，粒子对表现出受限的传播特性，而当θ角度偏离π时，粒子对的传播变得弹道化。这为研究（1+1）维量子电动力学的相变提供了新的实验证据。
图文解读
图1: U(1) 量子链路模型quantum link model，QLM的实验实现及其相图。图2: 密度和两点关联，沿可调拓扑θ角的演化，取决于与0的偏差χ指定。
总结展望
本文通过监测带有可调拓扑θ角度的粒子–反粒子对的微观动力学，直接观察了U(1)量子链规范理论中的限制–解耦转变。此外，作者还发现，在未调节拓扑θ角度的情况下，系统仍然存在限制相。在这种情况下，较大的负质量和高斯定律导致了真空–真空对激发的受限动力学。这些发现基于作者的量子模拟器，该模拟器结合了位点解析的量子气体显微镜与模式可编程的光学超晶格，具有生成任意初始态和灵活调整陷阱势能及时间–空间–粒子数解析检测的多种能力。作者的实验观察与数值基准结果一致，定量地验证了量子模拟器的有效性，并表明该模拟器可以作为未来探索规范理论丰富物理现象的强大平台，例如弦断裂、虚真空衰变和量子热化。此外，作者还可以探索可调拓扑θ角度在凝聚态现象中的应用，如动态量子相变、无失序定域以及其他违反遍历性的现象。通过进一步优化陷阱势能以减轻不均匀效应，作者可以将量子模拟器的规模扩展若干倍，从而在经典模拟中实现量子计算优势。此外，作者当前实施量子链模型（QLMs）的方案还可以扩展到更高自旋截断和更高空间维度，进而观察到更丰富的奇异规范理论物理现象。Zhang, WY., Liu, Y., Cheng, Y. et al. Observation of microscopic confinement dynamics by a tunable topological θ-angle. Nat. Phys. (2024). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02702-x
