探索高维物理的量子模拟方法

我们人类生活在一个三维的世界中。我们以三维的方式感知周围环境、在其中三维地移动，甚至可以说，我们的思维也习惯于在三维框架下运作。正因如此，要想象三维以上的空间维度，对大多数人而言十分困难。然而在物理学和数学中，四维乃至更高维度的概念却常常出现，尤其在描述宇宙模型和复杂物理过程时显得不可或缺。

那么，如何在实验中研究超出我们熟悉的三维空间的物理现象呢？康斯坦茨大学的物理学家奥德德·齐尔伯格在研究“合成维度”的过程中，开发了一套能够在实际实验室系统中模拟和探索高维效应的创新方法。凭借这项工作，他近日荣获欧洲研究委员会颁发的ERC整合奖。

在实验中直接观测高维物理现象之所以困难，是因为任何实验室系统都受到真实空间维度的物理限制。但现在，量子模拟技术为我们提供了突破的可能：通过构建具有“合成维度”的系统，科学家可以在系统的内部状态之间建立受控耦合，从而模拟出额外的维度。“量子模拟使我们得以创造带有‘合成维度’的系统，在这些系统中，通过对实验内部状态进行精密调控，可以‘生成’新的维度。”康斯坦茨大学量子工程系统教授奥德德·齐尔伯格解释道。这样一来，即使实验平台本身仍是二维或三维的，研究人员也能够研究粒子在高维空间中的行为特征。

齐尔伯格的ERC项目“IOSynDim”（相互作用的开放合成维度系统）旨在推动这一前沿领域的发展，重点关注具有合成维度的系统中大量粒子（即多体相互作用）之间的相互作用。过去的研究大多集中于单个粒子在合成维度中的行为，而本项目将致力于建立理论框架，探索大量相互作用的粒子在这种高维模拟环境中的集体行为，并揭示这些相互作用如何催生出新的量子物态。

合成维度本质上充当了高维物理模型的“实验模拟器”。该项目计划识别那些仅在高维系统中才可能出现的独特多粒子效应，并评估这些效应对未来量子技术发展的潜在价值。为此，齐尔伯格将与研究超冷原子（接近绝对零度的原子气体）和光子学系统的多个实验小组密切合作。这项研究融合了凝聚态物理理论与量子工程的思路，其成果有望帮助我们理解：高维物理规律如何在我们的三维世界中具体呈现，并可能为新一代量子器件与计算技术提供理论基石。