量子规理论是数学结构，通常由物理学家用来描述亚原子粒子，它们相关的波场以及它们之间的相互作用。这些理论概述的动力学难以计算，但在实验室中有效地模拟它们可能会带来有价值的新见解和发现。

在最近的一项研究中，苏黎世联邦理工学院量子电子研究所的一个研究小组成功地在实验室实验中实现了量子规理论模拟的基本要素。他们希望通过在高度受控的环境中模拟量子系统，他们将收集有趣的观察结果，并扩大他们对多体系统的理解(即，具有许多相互作用的粒子的系统)。

“通常，我们的工作受到固态物理现象的启发，例如复杂材料中电子的强相关相位，”开展这项研究的研究人员之一Tilman Esslinger告诉Phys.org。“然而，在我们目前的工作中，我们希望扩展我们的实验平台(即光学晶格中的超冷原子)的范围，以研究在高能和凝聚态物理中发生的一组新现象。目标是证明有可能在我们的设置中设计出由于它们与物质场耦合而具有动态量子自由度的测量场。“

量子场是几种量子场理论的重要组成部分，包括量子电动力学和色动力学。他们描述了物理学各个领域中的一大类现象，如基本粒子物理，凝聚态物理和量子信息理论。因此，在冷原子设置中实施规范场将允许研究人员在实验室中研究这些现象中的一些。

Esslinger及其同事在他们的研究中使用的方法基于一种名为Floquet工程的技术。该方法用于周期性地调节量子系统，使得能够在实验期间实现静态系统中不可访问的新物理模型。

在他们的实验中，研究人员将费米子钾原子冷却至接近绝对零度的温度。在这种情况下，量子效应主导着粒子的行为。这使他们能够在高度可控的环境中研究这些效应。随后，Esslinger和他的同事将冷却的原子加载到由激光组成的人造晶体中，从而模拟特定行为，例如固态材料中的电子行为。

“为了设计密度依赖的Peierls阶段，我们使用Floquet方法并沿一个方向摇动光学晶格，”参与该研究的另一位研究员FrederikGörg告诉Phys.org。“这使我们能够控制晶格相邻位置之间原子的量子力学隧穿过程。”

通过以相对相位的两个不同频率驱动系统，Esslinger和他的同事们能够实现包括Peierls阶段的复值隧道。结果，在他们的实验中使用的原子开始表现得好像它们暴露于合成规范场。

“由于振动频率选择与粒子之间的相互作用共振，Peierls相因此相关的规范场取决于晶格中的原子配置，”Görg解释说。“这导致了物质和测量场之间的反作用机制：由于测量场的存在，原子将开始移动，这反过来将改变测量场本身。”

在他们的研究中，研究人员在晶格的各个环节上开发了一种测量方案。使用这种方案，他们测量了Peierls阶段，即当在第二个原子上进行隧道掘进时原子拾取并将其与在空白场地上跳跃时拾取的阶段进行比较。

研究人员观察到这两个阶段之间存在显着差异。这表明与这些Peierls相关联的规范场取决于晶格位置的占据 - 换句话说，它是密度依赖的。

“这种强大的相关系统由耦合到动态规范场的原子组成，很难通过经典计算机上的数值模拟来解决，”Görg说。“我们的工作是实现晶格规范理论的实验量子模拟的第一步，它可以为凝聚态物质和高能物理学中的不易理解的现象提供新的视角。”

该团队研究人员最近进行的这项研究引入了一种新的通用方法来实现和模拟不同类别的密度相关的测量场。最终，他们提出的技术可以为激发新的物理观测和理论铺平道路。在他们未来的工作中，研究人员计划用它来研究动态规范场与在扩展光学晶格中实现的多体系统中的原子之间的相互作用。

“我们已经在之前的工作中表明，我们可以很好地控制驱动的多体系统，并且我们可以减轻与Floquet系统相互作用相关的问题，例如加热，”Esslinger说。“与本文中展示的密度相关的Peierls阶段一起，我们的实验提供了一个通用平台来模拟和理解量子规理论的强相关阶段。”