量子場(chǎng)論是物理學(xué)中描述基本粒子和相互作用的理論框架。量子場(chǎng)論中的一個(gè)重要概念是糾纏，即兩個(gè)或多個(gè)粒子之間存在一種超越經(jīng)典物理的關(guān)聯(lián)。糾纏可以用不同的方式來(lái)度量，其中一種是互信息，即兩個(gè)子系統(tǒng)之間共享的信息量。互信息可以反映出子系統(tǒng)之間的糾纏和經(jīng)典相關(guān)性。

在量子場(chǎng)論中，互信息有一個(gè)基本的性質(zhì)，就是它遵循面積定律。這意味著，如果我們把一個(gè)系統(tǒng)分成兩個(gè)空間上分離的子系統(tǒng)，那么它們之間的互信息與它們之間的邊界面積成正比，而不是它們的體積。這個(gè)定律在平衡態(tài)的有能隙的量子多體系統(tǒng)中已經(jīng)得到了理論證明，但在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證它卻非常困難，因?yàn)樾枰獪y(cè)量系統(tǒng)的馮諾依曼熵，即系統(tǒng)處于某個(gè)狀態(tài)的不確定性。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，一組研究人員利用超冷原子模擬了一維量子場(chǎng)論，并用一種新穎的方法測(cè)量了系統(tǒng)中不同區(qū)域的馮諾依曼熵。他們首次在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了互信息面積定律，并研究了互信息隨溫度和區(qū)域間距離的變化。

他們?cè)趺醋鰧?shí)驗(yàn)?zāi)兀克麄兪褂昧艘环N叫作超冷原子的裝置，可以把原子冷卻到接近絕對(duì)零度，并用激光束把它們困在一維的管道里。這樣就可以用原子來(lái)模擬一維量子場(chǎng)理論中的粒子和相互作用。

他們通過(guò)調(diào)節(jié)激光束的強(qiáng)度和頻率，可以改變?cè)又g的相互作用強(qiáng)度和溫度，并觀察原子在不同狀態(tài)下的行為。他們通過(guò)測(cè)量不同空間區(qū)域內(nèi)原子數(shù)分布的漲落來(lái)重構(gòu)出密度矩陣，并從中計(jì)算出互信息。

他們發(fā)現(xiàn)，在平衡態(tài)下，互信息確實(shí)遵循面積定律，并且隨著溫度升高或者相互作用增強(qiáng)而減小。他們還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩個(gè)子系統(tǒng)之間有一定距離時(shí)，互信息會(huì)快速衰減到零。這些結(jié)果與理論預(yù)測(cè)一致，并且展示了超冷原子模擬器在探索量子場(chǎng)論糾纏性質(zhì)方面的潛力。

他們的工作是利用超冷原子探索量子場(chǎng)論糾纏性質(zhì)的重要一步，并為未來(lái)利用超冷原子模擬器研究更復(fù)雜和更深刻的問(wèn)題打開(kāi)了新的可能性。這篇論文發(fā)表在2023年5月份的《自然物理》雜志上，也在arXiv上提供了預(yù)印本。