混合量子系统，复现阿哈罗诺夫‑玻姆效应

牛津大学物理系的物理学家利用一套由量子比特与量子振荡器构成的混合量子计算机，在量子模拟实验中观测到了阿哈罗诺夫‑玻姆效应。该量子现象表现为：粒子在绕磁通量运动时，即便从未进入有磁场的区域，依然能够产生可测量的相位变化。

该研究结果证明，混合量子系统可用于模拟物质与规范场之间的相互作用，这类相互作用在经典计算机上的建模难度正不断攀升。

无需穿过磁场即可产生相位

在日常的经典物理学中，带电粒子的运动由其所处位置的电场和磁场直接决定。而量子力学存在一种更为微妙的效应。1959年，物理学家Yakir Aharonov与David Bohm预言：带电粒子绕磁场区域运动（而非穿过该区域）时，依旧会留下可测量的磁场作用痕迹。这便是阿哈罗诺夫‑玻姆效应，后续该效应已通过真实电子实验得到证实。

如今物理学家希望在全新场景 —— 晶格规范理论中观测这一效应。晶格规范理论是用于描述物质与规范场相互作用的数学框架，其中包含粒子物理与高能物理领域的重要模型。在晶格规范理论中，物质分布在网格节点上，场则存在于连接各个节点的链路上。

难点在于，随着这类系统规模增大，经典计算机对其行为的计算会变得愈发困难。量子计算机遵循和该理论相同的量子运行规则，提供了另一种解决思路：研究人员不在经典计算机上求解完整动力学方程，而是搭建一套行为与之相同的物理系统，并直接观测系统的演化，该手段即为量子模拟。

利用囚禁离子实现物质与场的共同模拟

从2022年起，论文第一作者Sebastian Saner博士、Oana Bazavan博士及其牛津大学团队，联合马德里理论物理研究所的Alejandro Bermudez博士，搭建实验，借助混合量子系统对晶格规范理论开展模拟。该实验包含两类组件，分别承担不同的物理功能。

基于囚禁离子内部状态编码的量子比特（qubit）用于代表规范场；而来自这些离子振动的量子振荡器，则用来代表物质。依托这套编码方式，研究团队构建出该理论的基础单元环路：用两个振荡器代表位于两个格点的物质，再由两个代表场的量子比特将二者相连。

随后研究团队将这两个量子比特制备为纠缠量子态，二者的属性以经典物理无法解释的方式相互关联。站在晶格规范理论的角度，该状态对应有磁通量穿过环路。如果采用传统方式，把磁通量设置为固定背景场，需要硬件尚不支持的相互作用；因此研究人员选择把磁通量编码进量子比特，作为可行的替代方案。

Saner表示：“对我们而言，令人振奋的进展是将磁通量编码进本身具备动力学特性的规范场当中。物质不再是在固定背景场下演化，物质和规范场共同参与同一套量子动力学过程。” 原本的权宜之计，最终成为更具研究价值的技术路线。

磁通量抑制量子隧穿

研究人员接着观测物质粒子沿环路发生隧穿的过程。不存在磁通量时，粒子可以自由隧穿；当引入磁通量后，环路的两条路径发生相消干涉，隧穿效应被完全抑制，系统停留在初始状态不再变化。该实验就在晶格规范理论的动态场景下复现了阿哈罗诺夫‑玻姆效应。

同期发表还有另一篇论文，该研究同样使用混合量子系统模拟汤川势 —— 一种和核物理、粒子物理密切相关的相互作用。两个研究团队独立完成各自方案，之后协调向《自然‑物理》期刊投稿。这两项研究共同证明，混合量子架构在模拟经典计算难以处理的基础相互作用方面拥有巨大潜力。