一种能将粒子完全停止的非凡量子效应，已被科学家成功重现。该实验在一台混合量子计算机上进行。Oxford大学的研究人员在重现Aharonov-Bohm效应时观察到，不可见的磁效应使被模拟的粒子完全停止；该效应表明，粒子可以在不穿过磁场的情况下受到磁场的影响。研究结果发表在《Nature Physics》期刊上。在这项研究中，研究人员将量子信息的基本单位——量子比特，与代表振动运动的量子振子相结合，研究了用经典计算机越来越难以模拟的物质-场相互作用。
该效应由物理学家Yakir Aharonov和David Bohm于1959年预言。即使带电粒子完全从包含磁通量的区域之外经过，其量子相位也可能发生可测量的变化。相位本身无法被直接观测。尽管如此，相位差会产生可测量的效应，这一预言后来在用真实电子进行的实验中得到了证实。
这一次，研究的重点是格点规范理论。研究人员在这些理论中研究同一现象，这些理论描述了物质与基本力相关场的相互作用。在这里，空间被表示为一个网格。物质位于格点上，而场则位于这些格点之间的连线上。这些模型在粒子物理和高能物理中具有重要意义，其数学计算随着系统变得越来越复杂，甚至对强大的经典计算机也构成了挑战。而量子模拟的原理则是构建一个遵循相同基本规则的量子系统，从而直接观察其行为。
该项目于2022年启动。该研究的主要作者为Sebastian Saner博士，并与Oana Bazavan博士以及来自马德里Instituto de Física Teórica的Alejandro Bermudez博士开展了合作。实验使用了两种组分。编码在被电磁场束缚于原位的带电原子内部状态中的量子比特代表规范场，而由同一离子振动构成的振子则代表物质。两个振子代表两个位置上的物质，两个量子比特则代表连接这些位置的场，从而构成一个简单的环。
研究团队将通量编码到了量子比特中。两个量子比特被置于一种纠缠量子态，用以代表穿过环中心的磁通量。最初的计划并非如此。原本计划将通量作为固定的背景条件加入，但所使用的硬件不适合直接实现这一方案。将通量编码到量子比特中提供了一种实用的替代方案，并使通量成为演化系统的一部分。Saner博士表示：”对我们来说，令人兴奋的一步是将磁通量编码到一个本身即为动态的规范场中。”
该模拟检验了隧穿过程。在没有磁通量时，粒子可以在环中自由隧穿。加入通量后，两条可能路径的相对相位发生变化，路径之间发生相消干涉而相互抵消，隧穿被完全抑制。粒子冻结在了其初始状态。由此，Aharonov-Bohm效应在包含动力学场的格点规范理论中得到了展示。
相关成果同步发表。由Norbert Linke教授领导的Maryland大学团队也开展了一项模拟Yukawa势的相关研究。两个团队独立发展了各自的方法，但将论文协调一致地提交给了《Nature Physics》。
为何重要
这项实验以一个具体实例表明，量子计算机可以应用于经典机器难以胜任的物理问题。格点规范理论是粒子物理与高能物理的基本模型，随着系统日益复杂，即使最强大的经典计算机也会力有不逮，而这种混合模拟器为这一瓶颈提供了一条替代路径。将量子比特与振子集成于同一硬件的设计，竟源于一个计划之外的硬件限制，这表明可以用有限的资源来表示更复杂的系统。两个独立团队以不同方法完成的研究在同一期刊上同步发表，支持了该发现并非某一实验室所独有的结论。悬而未决的问题是，这种方法能否推广到更大规模、更真实的物理系统中。