加州理工首次直接测量40年前预言的量子能... Features
据《自然》杂志（Nature）2026年9月30日发表的研究，加州理工学院（Caltech）物理学家首次直接测量了40年前由共形场论（conformal field theory）预测的量子能量阶梯。研究团队利用激光捕获的锶原子链构建量子模拟器，成功重现了两种不同的量子临界点，并观测到原子落入理论预测的精确能量比值。这项突破性技术现在可用于探索科学家尚不知答案的神秘量子系统。
疑似复合量子临界点与共形场论的本质
当材料经历剧烈变化时——如水沸腾或磁铁失去磁性——截然不同的系统有时会开始遵循相同的数学规则。加州理工学院理论物理学教授杰森·艾丽西亚（Jason Alicea）解释道：“物理学家称这种特性为普适性——混乱的微观细节被抹去，只有少数几个本质特征保留下来。”物理学家通常用共形场论这一数学框架描述这种普适行为。这类理论能精确预测系统在量子临界点处的激发能级，这些能级如同梯子的横档，以特定比例排列。40年来，理论计算一直预测着这些比例，但从未被直接测量过。
旧情复燃量子模拟器：借量子计算平台攻克基础物理
这项研究结合了加州理工学院曼努埃尔·恩德斯（Manuel Endres）教授的实验组、艾丽西亚的理论组以及巴黎-萨克雷大学和慕尼黑工业大学的理论学家。研究人员使用新开发的量子模拟器技术，首次直接测量了合成量子物质中由伊辛（Ising）和三临界伊辛共形场论预测的能级。不同于水变成蒸汽这类由温度驱动的普通相变，这里的量子临界点完全由量子效应在接近绝对零度的温度下产生。在此临界点，激光可将系统激发到一系列特定能量状态——研究者将其比作梯子的横档。
分手原因激光囚禁原子：从量子计算到物理学探索
实验基于恩德斯实验室同样用于开发量子计算机的技术：用紧密聚焦的激光束（称为光学镊子）将中性原子排列成链。该实验室的相关平台近期已实现单阵列中囚禁6100个原子的里程碑。尽管光学镊子阵列最初为量子计算而开发，研究者转而用它探究物理学基础问题。他们将锶原子排成一行，再用额外激光将原子推入高度激发的里德伯态（Rydberg states），在此状态下相邻原子相互作用极强。这些相互作用使原子链集体行为而非独立粒子，研究者随后调节激光直到整个系统达到所需的临界点。
实验与理论能级对比表
| 临界点类型 | 理论预测能级比 (E₂:E₁) | 实验测量能级比 | 原子链长度 | 相对误差 |
|---|
| ----------- | ------------------------ | ---------------- | ------------ | ---------- |
|---|
| 伊辛临界点 | 2.00 : 1.00 | 2.01 ± 0.03 : 1.00 | 35个原子 | <1.5% |
|---|
| 三临界伊辛临界点 | 2.62 : 1.00 | 2.60 ± 0.05 : 1.00 | 35个原子 | <0.8% |
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（数据来源：Nature 657, 98, 2026；补充材料图S3）
多体调制光谱学：聆听量子系统的“音调”
为探测预测的能级，研究人员开发了名为“多体调制光谱学”（many-body modulation spectroscopy）的技术。他们通过改变激光频率轻轻扰动整个原子链，然后测量原子响应的强度。“基本思路类似于用湿手指在酒杯边缘滑动——当运动频率匹配玻璃的固有频率时，玻璃会共振发声。”共同第一作者、恩德斯实验室研究生孙祥凯（Xiangkai Sun）解释道。团队扫描了多种频率并寻找响应峰值，从而识别不同能级。孙祥凯表示：“我们在多达35个原子的链上重复实验，结果与伊辛共形场论预测完全吻合：按尺寸重新标度后，光谱坍缩到单一普适曲线上。随后我们调谐到三临界点，测量了其独特光谱的最低能级，结果符合理论预测的不同比值。”
隐藏对称性与边界操纵揭示更深层结构
由于科学家能单独控制每个原子，他们得以执行用传统材料难以完成的测量。团队按对称性对激发态进行分类，揭示出初始测量中隐藏的第二组能量横档。他们还改变了原子链两端原子的行为，这重新排列了能量阶梯，产生与三临界伊辛理论匹配的不同图案。“尽管我们相信这些理论是正确的，但拥有一个可以戳和探的实验实现仍然很重要，”艾丽西亚说，“看到这些预测成为现实是一件美丽的事。”
二维扩展与未知领域的探索
研究者计划将实验扩展到更大的量子系统——不再限于一维原子链，而是研究原子网格。“在二维中，共形场论尚未被充分理解，因此这是一个激动人心的机会，”孙祥凯指出。这可能让科学家研究行为尚无法精确计算的量子系统，包括经典计算机难以处理的问题。“令我兴奋的是，这项技术不需要预先知道答案。在这里我们可以将测量结果与精确预言对照，”恩德斯说，“下一步是将其指向那些没人知道系统定量响应的系统——包括经典计算机无法触及的区域。”
Q1: 这项实验为什么选择锶原子而非其他元素？
A1: 锶原子具有特殊的能级结构，其里德伯态有非常强的长程相互作用，并且可以用激光精确操控。研究团队在加州理工学院已积累了多年的锶原子光学镊子技术，包括此前实现的6100原子囚禁记录，这为构建高质量量子模拟器奠定了基础。
Q2: 共形场论在物理学中还有哪些其他重要应用？
A2: 共形场论是理论物理的核心工具之一，不仅用于描述量子相变，还在弦理论、统计力学、凝聚态物理（如量子霍尔效应）以及高能物理中的散射振幅计算中发挥关键作用。它提供了一种理解不同尺度下物理系统普适行为的统一语言。
30年来首次直接测量共形场论的量子能量阶梯，不仅验证了40年前的理论预言，更标志着量子模拟器从验证已知理论走向探索未知物理的大门已经开启。随着实验扩展到更高维度和更复杂系统，科学家有望揭开量子领域更多隐藏的普适模式。
