理论家算了 40 年的那把"梯子"，量子模拟器第一次踩了上去

水烧开和磁铁失去磁性，是两种完全不同的物理过程，但在相变点上，它们开始遵守同一套数学规则。物理学家把这件事叫普适性：材料的具体成分、晶格的具体形状，在临界点附近都会被"洗掉"，留下几个决定性的特征量。

描述这种普适行为的数学框架叫共形场论（CFT）。它对处在量子临界点的系统给出了一个很硬的预言：系统的激发能级不是连续的，而是一把离散的梯子，横档之间的间距成固定的比例。这些比例编码着理论本身的信息。四十年来，理论家用 CFT 反复算这些比例，实验上却一直没人能直接量出来——因为你需要一个能被精确调控、又真的处在临界点上的量子系统。

图1：临界点上的系统是离散的能级阶梯，间距比例由共形场论固定

用光镊摆一条锶原子链

Caltech 的 Manuel Endres 实验组与 Jason Alicea 理论组，加上巴黎萨克雷大学和慕尼黑工业大学的合作者，搭出了这样一条链。他们用光镊把中性锶原子一个一个夹住，排成一条直线，最多 35 个。再用另一组激光把原子激发到里德堡态，让相邻的原子强烈地互相影响，整条链从此作为一个整体行动，而不是 35 个独立粒子。

接下来调激光参数，把这条链推到量子临界点。这里的临界不是温度驱动的——它发生在接近绝对零度的地方，纯粹由量子涨落驱动。

像摸酒杯边缘那样去"听"能级

读出能级用了团队新开发的方法，叫多体调制谱。做法是用选定的频率轻轻"摇"整条链，测量原子响应有多强；扫过一段频率范围，记下响应在哪里出现尖峰，梯子的横档就一根根浮出来了。这个思路和用湿手指沿着酒杯边缘转圈一样：频率对了杯子共振发声，频率不对什么都不会发生。

图2：扫频驱动整条原子链，响应尖峰处对应能级阶梯的横档

35 个原子，一条普适曲线

结果有两部分。先是伊辛 CFT：不同长度的链测出来的谱，在按尺寸重新标度之后坍缩到同一条普适曲线上，正是理论给出的样子。然后团队把系统调到三临界点，测到了另一套不同比例的能级，同样与三临界伊辛 CFT 的预言一致。

单个原子可寻址带来了两个额外实验，这是传统材料里做不到的。一是按对称性给激发分类，把第一次测量中隐藏起来的另一族能级翻了出来；二是改链两端的原子，等于换了边界条件，梯子随之重排成三临界伊辛理论预言的另一套图案。

图3：按尺寸重新标度后，不同链长的谱线落到同一条曲线上

Alicea 的原话是：既然我们相信这些理论是对的，为什么还要做实验——因为你需要一个能被戳、能被推的实体。团队下一步打算把这条链扩成二维阵列，二维情况下的共形场论理解得还不完整，那里有更多未知。

关联推荐

• 量子纠错：为什么量子计算机先要学会容错 — 量子硬件走向可靠的前置条件
• 量子计算：从费曼的猜想走到"含噪声中等规模"时代 — 量子模拟器在整条路线上的位置
• 当代物理学的硬骨头地图：23 篇论文画的路线图 — 这类验证在全局里排第几