2026年9月25日——牛静大学物理系的物理学家利用由量子比特和量子振荡器构成的混合量子计算机，在量子模拟中观测到了 Aharonov-Bohm 效应。该效应是一种量子现象：粒子通过绕磁通量运动可以获得可测量的相位，即使它从未经过存在磁场的区域。这一结果表明，混合量子系统可用于模拟物质与规范场之间的相互作用，而这类相互作用在经典计算机上越来越难以建模。论文发表在 Nature Physics 上。

在经典的日常物理中，带电粒子的运动由其遇到的电场和磁场局域决定。量子力学允许一种更微妙的效应。 1959年，物理学家 Yakir Aharonov 和 David Bohm 预测，带电粒子如果绕过一个包含磁场的区域而不是穿过它，仍然会获得该磁场存在的可测量痕迹。这后来被称为 Aharonov–Bohm 效应，并在之后用真实电子进行的实验中得到证实。

如今，物理学家有兴趣看到该效应在另一种场景中出现：格点规范理论。这些数学框架用于描述物质与规范场之间的相互作用，包括粒子物理和高能物理中的重要模型。在格点规范理论中，物质位于网格的格点上，场则存在于连接这些格点的链路上。

困难在于，随着这些系统规模增大，其行为在经典计算机上越来越难以计算。量子计算机按照这些理论所描述的相同量子规则运行，提供了另一种途径：研究人员不在经典计算机上求解完整动力学，而是构建一个行为相同的物理系统并观察其表现。这就是所谓的量子模拟。

从2022年开始，第一作者 Sebastian Saner 博士、Oana Bazavan 博士和牛津的同事，与来自马德里 Instituto de Física Teórica 的 Alejandro Bermudez 博士合作，开发了一项使用混合量子系统模拟格点规范理论的实验。他们的实验使用了一个包含两类组件的混合量子系统，每类组件发挥不同的物理作用。量子比特——编码在囚禁离子内部状态中的量子位——代表规范场，而量子振荡器——同一批离子的振动——代表物质。利用这种编码，团队构建了一个环路，即该理论的基本构件，由两个代表两个点上物质的振荡器组成，并通过两个代表它们之间场的量子比特连接。

随后，团队将这两个量子比特制备成纠缠量子态，其中它们的属性以一种没有经典对应物的方式关联起来。用格点规范理论的语言来说，这对应于穿过环路的磁通量。以传统方式产生这样的磁通量，即作为固定背景，需要硬件无法提供的相互作用，因此将其编码到量子比特中最初只是一种实用的变通方法。 

“对我们来说，令人兴奋的一步是将磁通量编码到一个本身是动力学的规范场中，”Saner 博士说。“物质不再是在固定背景中演化，而是与规范场成为同一量子动力学的一部分。”最初作为变通方法的做法，结果却成了一条更有趣的路线。

随后，研究人员观察到一个物质粒子绕环路隧穿。没有磁通量时，它自由隧穿。存在磁通量时，绕环路的两条路径发生相消干涉，完全抑制了隧穿，使系统冻结在其初始状态。这一结果是在格点规范理论中、在动力学场景下对 Aharonov–Bohm 效应的实验演示。

该论文与马里兰大学 Norbert Linke 教授领导的一个小组的相关工作同期发表，后者使用混合量子系统模拟 Yukawa 势，这是一种与核物理和粒子物理相关的相互作用。两个小组独立开发了各自的方法，随后协调了向 Nature Physics 的投稿。两项研究共同凸显了混合量子架构在模拟经典方法难以处理的基本相互作用方面的潜力。