2026年8月3日——如果你把自己缩小到原子的尺度，世界将变成一个奇妙的地方。在这个量子领域，粒子可以同时出现在两个位置，电子可以无视距离彼此关联，流体可以无阻力地流动。换言之，这一尺度上的物理行为与人们通常体验的尺度完全不同。

然而，最近的发现表明，微观量子现象有时会渗透到日常生活中。这些发现引发了人们对超量子物质的兴趣——这类材料展现出大规模量子行为，有望彻底改变未来技术，如超导体和量子计算机。

凭借其广泛的影响，超量子物质吸引了来自不同背景的物理学家的兴趣，包括高能物理、量子信息物理和凝聚态物理。近年来，这些不同背景的物理学家意识到，他们一直从事的一些专精项目实际上在探究相同的核心问题。

“事实证明，我们只是在使用不同的语言或不同的技术，”哈佛大学理论物理学家 Ashvin Vishwanath 表示。“我们发现，我们面临的一些障碍是人为造成的，只要彼此交流就能受益。”

在这一认识之后，Vishwanath 与一群研究人员组建了西蒙斯超量子物质合作项目。该项目于2019年启动，由来自世界各地的17位理论物理学家以及数十位博士后研究员和研究生组成，是西蒙斯基金会推动数学、理论物理和理论计算机科学基础问题研究的一部分。

“我们发现，由于物理学的专业化，人们在跨学科交流方面做得不够，”普林斯顿高等研究院理论物理学家 Nathan Seiberg 表示，他于2019年加入该合作项目。“我认为这个合作项目非常清楚地表明，将人们聚集在一起并允许更多跨学科工作，是物理学的未来。”

早在该合作项目成立之前，最早弥合量子尺度与日常世界之间鸿沟的发现之一是量子霍尔效应。当电子被冷却到极低温度并在强磁场作用下开始表现异常时，就会产生这种效应。这些发现曾获得诺贝尔奖，并为量子计算奠定了基础，它们向科学家表明，在适当的条件下，量子行为会在一组粒子中涌现，而在其他情况下这种现象是意想不到的。

“这些惊人的集体属性能够涌现，对物理学产生了重大影响，”Vishwanath 说。“它让你意识到，你对自然基本组成部分的一些根本假设是不正确的。”

自成立以来，该合作项目一直致力于更深入地理解量子霍尔效应的意义以及超量子物质的其他基本方面。该项目在对称性研究方面取得了重大进展，对称性描述的是系统如何在变化中保持不变，这有助于简化复杂问题。此外，研究人员还在新物相方面获得了新的见解，这些物相远远超出人们日常所体验的气-液-固三态。这些物相承载着奇异的激发，如任意子和分形子。

尽管超量子物质的许多研究始于理论预测，但与实验的联系正在迅速增长。最近最令人兴奋的进展之一来自莫尔材料。这种材料是通过堆叠可薄至单原子的材料层（如石墨烯）制成的。每一层都略微旋转，形成能展现丰富超量子相景观的几何结构，其中几种相最初是由理论预测的。

虽然该合作项目的所有成员都是理论物理学家，但其中一些人一直与外部实验团队合作以验证他们的理论。“通过与实验学家合作，我们成功制造了一种使用非阿贝尔任意子的新型量子计算机。这些粒子会记住它们的轨迹——它们具有某种记忆，”Vishwanath 说。“我们能够利用完全在这个合作项目中发展起来的理论，在实验室中制造出它们。”

Vishwanath 表示，该合作项目的大部分工作集中在任意子上，并在任意子三维模型方面取得了突破。其中一些工作也使某些金属类型的研究受益，这些金属的粒子以量子力学的方式发生强相互作用。对这些金属理解的进展，最终可能帮助研究人员解决金属基本理论中长期存在的问题，而金属基本理论是科学家理解超导体的基础。

“不同子领域有很多机会走到一起，”Vishwanath 说。“我们既受益于拉远视角、对所研究的一切形成更概念化的图景，也受益于能够深入钻研细节。”

除了直接的研究成果外，该合作项目的一项重大成就是，研究人员终于能够坐在一起，在他们研究超量子物质所使用的数学语言之间实现互译。

“随着交流的深入，我们发现有些东西可以直接翻译——想想美国的‘elevator’和英国的‘lift’，”麻省理工学院理论物理学家 Shu-Heng Shao 表示，他于2019年以博士后研究员身份加入该合作项目。“但在其他情况下，有些概念没有对应物，而这正是我们能真正从多语言能力中受益的地方。”

作为一名高能物理学家，Shao 接受过从特定视角处理问题的训练；例如，他曾将时空结构（宇宙的数学框架）视为连续体。但从合作项目中的凝聚态物理学家那里，Shao 了解到，其他视角——即把时空视为离散单元的排列——可以揭示他的视角所缺失的信息。

将不同方法和视角结合起来，已成为 Shao 当今研究的主要支柱。2026年，Shao 获得物理学新视野奖，部分原因在于他从量子场论、粒子物理学和凝聚态物理学的视角推进了超量子物质对称性研究。通过该合作项目，Shao 利用量子物相中的对称性概念，解决了量子电动力学中一个长期存在的难题。

“如果没有这个合作项目的影响，我的许多项目都不可能实现，”Shao 说。

许多人认为，该合作项目的另一个基石是已经形成的紧密工作社群。合作项目每年举办年会，以及许多小型会议、暑期学校和研讨会。这些聚会通常也向合作项目之外的科学家开放，以进一步促进新思想的流动。

“这些会议对我极其宝贵，”加州理工学院理论物理学家、合作者 Xie Chen 表示。“通过与他人会面和交流，我能获得最有用的反馈，这帮助我形成自己的想法。”

“这个合作项目真的像一个大家庭，”Shao 补充道。“每个人都非常乐于学习新事物。”

经过七年之后，这个合作项目终于接近尾声。然而，高能物理、量子信息物理和凝聚态物理学家之间的合作才刚刚开始。

“我认为这个合作项目持久的遗产之一，是将人们视为不同子领域的课题统一起来，这些课题其实有着非常深刻的联系，”Vishwanath 说。“许多从这个合作项目中成长起来的研究生，现在已能熟练运用不同的语言和方法。这是一个激动人心的时代。”