粒子并不需要穿过磁场才能受到其影响。这一量子物理的惊人特性现在已被牛津大学的研究人员重现，他们使用混合量子计算机展示了看不见的磁性影响如何使模拟粒子的运动完全停止。该实验重现了一种被称为阿哈罗诺夫-玻姆效应的现象，其中一个带电粒子环绕着包含磁通量的区域旅行时，尽管其路径从未经过磁场本身，但仍会经历其量子态的可测变化。牛津团队利用结合了量子比特（量子信息的基本单元）和量子振荡器（代表振动运动）的量子系统来实现这一点。他们的研究结果发表在《自然物理》上，展示了这种组合如何帮助科学家研究物质与日益难以使用传统计算机模拟的场之间的基本相互作用。1959年预测的奇特量子效应在日常物理学中，带电粒子对其遇到的电场和磁场做出反应。然而，量子力学揭示粒子可以以不符合我们普通经验的方式行为。1959年，物理学家雅基尔·阿哈罗诺夫和大卫·玻姆预测，带电粒子即使完全在包含磁场的区域外旅行，也会受到磁通量的影响。该粒子不会沿其路径感受到传统的磁力，而是经历其量子相位的变化。量子相位描述了粒子波动行为的一个方面，影响不同可能路径之间的干涉。尽管相位本身不可直接观察，但相位的差异可以产生可测量的效应。该预测被称为阿哈罗诺夫-玻姆效应，并最终在涉及真实电子的实验中得到验证。这仍然是量子世界按超越经典物理法则的规则运作的最清晰的演示之一。研究人员现在正在探索这一现象在被称为格点规范理论的更复杂理论系统中的表现。这些理论描述了物质如何与基本力相关的场相互作用。它们将空间表示为一个网格，物质位于个别点上，场与它们之间的连接相关联。这种模型在粒子物理学和高能物理学中特别重要，科学家研究构成宇宙的基本粒子和相互作用。挑战在于，随着这些系统的复杂性增加，数学变得极其苛刻。即使是强大的传统计算机，在计算所有相互作用的成分如何演变时也可能遇到困难。量子计算机提供了不同的方法。科学家们不必尝试使用经典计算方法计算量子系统的每一个方面，而是可以构建另一个遵循相同基本规则的量子系统。然后他们可以直接观察其行为，这种方法被称为量子模拟。科学家们如何构建量子实验牛津项目始于2022年，首席作者塞巴斯蒂安·萨内尔博士、奥安娜·巴扎万博士及其同事开始开发一种使用混合量子系统模拟格点规范理论的方法。他们与马德里的理论物理研究所的亚历杭德罗·伯穆德斯博士进行了合作。他们的实验设计依赖于两个执行不同功能的量子组件。第一个由编码在被电磁场捕获的离子的内部状态中的量子比特组成，这些带电原子被保持在原位。这些量子比特代表理论模型中的规范场。第二个组件使用由同一被捕获的离子的振动产生的量子振荡器，这些振荡器代表物质。通过将两者结合，研究人员构建了一个简单的环，作为格点规范理论的基本构建模块。两个振荡器代表两个不同位置的物质，而两个量子比特代表连接这些位置的场。尽管该安排很小，但足以重现物质与磁通量之间的重要相互作用。量子纠缠创造出意外的解决方案。接下来，研究人员将两个量子比特置于纠缠的量子状态中。纠缠是一种现象，其中量子系统以不能完全通过经典物理解释的方式联系在一起。在团队的模拟格点规范理论中，这种纠缠状态代表着通过环中心的磁通量。最初，研究人员计划将磁通量作为固定的背景条件引入。然而，创造必要的相互作用将需要他们量子设备的能力。