2026年8月19日——当不同材料从一种相转变为另一种相时，比如水沸腾，或磁铁失去吸引金属的能力，一些非凡的事情可能会发生：它们开始表现得完全相同，遵循相同的数学规则。“物理学家称这种特性为普适性——杂乱的微观细节被冲刷掉，只有少数几个基本特征存留下来，”威廉·K·戴维斯理论物理学教授 Jason Alicea 解释道。这些普适特性背后的数学通常由一种名为共形场论的理论框架来描述。

在《自然》杂志上发表的这项研究中，加州理工学院物理学教授 Manuel Endres 的实验团队与 Alicea 的理论团队，以及巴黎-萨克雷大学和慕尼黑工业大学的理论物理学家合作，利用量子模拟器对两种不同的共形场论进行了首次此类实验。量子模拟器是为特定任务量身定制的简化版量子计算机。

利用为这些量子模拟器开发的新技术，研究团队首次直接测量了合成量子物质中的能级，这些能级与伊辛共形场论和三临界伊辛共形场论的预测一致。（伊辛指的是物理学家 Ernst Ising，他在20世纪20年代解决了一个早期的磁性模型。）这两种理论都描述了量子系统——表现出纠缠和叠加等奇异特性——被置于两种状态之间的临界点时所出现的普适行为，其中一种状态比另一种状态更有序。

与日常生活中熟悉的相变（如水变成蒸汽）不同，这种相变不是由温度驱动的，而完全是由量子效应驱动的，这些效应恰好发生在接近绝对零度的温度下。一旦处于那个临界点，系统可以被激光激发到一系列特定的能量，就像梯子的横档一样。“这些理论预测的能级之所以重要，是因为它们编码了关于理论本身的深刻信息，”Alicea 说。

四十年来，研究人员一直使用共形场论来计算这些横档之间的间距——这些间距具有精确的比率——但直到现在，还没有人在实验中测量过它们。

“我们的新工具借鉴了量子计算平台，”这项新研究的共同第一作者、在 Endres 实验室工作的研究生 Xiangkai Sun 说。“在过去10年里，人们一直在学习控制这些系统，现在我们正处于可以用它们来做基础物理研究的阶段。”

这项研究中的量子系统基于 Endres 实验室用于构建量子计算机的平台：由称为光镊的激光捕获的中性原子阵列。该实验室中一个相关的中性原子平台最近在单一阵列中捕获了6100个原子，树立了一个里程碑。尽管这些阵列背后的光镊技术主要是为量子计算而开发的，但在新研究中，研究团队将其转向了一个基础物理问题。

在实验中，研究人员使用光镊将锶原子捕获成一条直线。他们使用其他激光将原子激发到称为里德伯态的高能态，这使得相邻原子之间产生强烈相互作用。原子链随后表现为一个整体，而不是独立的粒子。接下来，研究人员调整激光，将原子链置于临界点。

为了读出能级阶梯，研究团队应用了一种为这些研究开发的新工具，称为多体调制光谱学。在这种方法中，研究人员通过以选定频率调制激光来轻轻摇晃整条原子链，然后测量原子的响应强度。通过扫描频率并记录响应激增的位置，研究团队得以绘制出阶梯的横档。这种方法类似于用湿手指沿着酒杯边缘摩擦：在正确的速度下，玻璃杯会产生共鸣声；在错误的速度下，什么也不会发生。

“我们在多达35个原子的链上重复了实验，结果与伊辛共形场论的预测一致：光谱在按尺寸重新标度后坍缩到一条单一的普适曲线上，”Sun 说。“然后我们调到三临界点，测量了其独特光谱的最低能级，结果与理论预测的不同比率相符。”

由于阵列中的每个原子都可以单独寻址，研究团队还能做到用传统材料难以实现的事情。他们根据对称性对激发进行分类，揭示了在第一轮测量中隐藏的第二族横档。通过调整链两端的原子，他们改变了阶梯的排列方式——每种设置都产生了三临界伊辛理论预测的不同图案。

“尽管我们相信这些理论是正确的，但拥有一个实验实现——一个你可以戳一戳、拨一拨的东西——仍然很重要，”Alicea 说。“看到这些预测得到证实，是一件美妙的事情。”

未来，研究团队计划使用更大的量子系统来研究共形场论，不仅使用直线排列的原子，还使用网格排列的原子。“在二维情况下，共形场论还不太为人所知，所以这是一个令人兴奋的机会，”Sun 说。

“让我兴奋的是，这项技术不需要事先知道答案。在这里，我们可以将测量结果与精确预测进行对照，”Endres 说。“下一步是将其指向那些没有人知道系统定量响应的系统——包括经典计算机无法到达的区域。”