量子力學(xué)是一門描述微觀世界的科學(xué)，它揭示了許多奇妙而又難以理解的現(xiàn)象，比如疊加態(tài)、不確定性、糾纏等。量子力學(xué)的一個基本原理是量子場論，它認(rèn)為物質(zhì)和輻射都可以用場來描述，而場是一種在時空中分布的物理量。量子場論可以解釋很多高能物理實驗中觀察到的現(xiàn)象，比如粒子的產(chǎn)生和湮滅、基本相互作用等。

但是，量子場論也有一個很大的挑戰(zhàn)，那就是它很難在實驗上進行驗證和探索。因為要模擬量子場論中的過程，需要用到非常高的能量和精度，而這些在目前的技術(shù)水平下是很難實現(xiàn)的。因此，科學(xué)家們想出了一個辦法，那就是用另一種可控的量子系統(tǒng)來模擬量子場論中的過程，這就是所謂的量子場模擬器。

量子場模擬器是一種利用人工制造的量子系統(tǒng)來模擬自然界中的量子現(xiàn)象的裝置。它可以用來研究一些難以直接實驗觀測或理論計算的問題，比如強相互作用、相變、拓?fù)湫虻取Ｄ壳埃呀?jīng)有很多種不同類型的量子場模擬器被提出和實現(xiàn)，比如用超冷原子、離子阱、光晶格、超導(dǎo)回路等。

最近發(fā)表在PNAS的一篇論文中，作者利用了一種基于光學(xué)的量子場模擬器，來模擬一個重要的概念：光錐。光錐是指在相對論性時空中，一個事件能夠影響到的區(qū)域的形狀。在平直的時空中，光錐是一個錐形，因為光速是有限且不變的。但是，在彎曲的時空中，光錐也會發(fā)生彎曲，因為時空本身會受到物質(zhì)和能量的影響而變形。光錐對于理解時空結(jié)構(gòu)和因果關(guān)系有著重要的意義。

作者使用了一種特殊的光束，叫作帶有軌道角動量（OAM）的光束。這種光束有一個螺旋形狀的相位前沿，可以攜帶一個整數(shù)倍于普朗克常數(shù)（h）的角動量。作者通過調(diào)節(jié)兩個OAM光束之間的相位差和頻率差，來制造出一個類似于電磁場中電荷和磁單極子對（dyon pair）的結(jié)構(gòu)。這個結(jié)構(gòu)可以看作是一個簡化版的量子場模擬器，它可以模擬出一個彎曲時空中電磁場中電荷和磁單極子對之間相互作用產(chǎn)生的效果。這個效果就是光錐的彎曲。

作者通過測量兩個OAM光束之間的糾纏度，來觀測光錐的彎曲程度。糾纏度是一種量化量子糾纏的指標(biāo)，它反映了兩個量子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)性。作者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩個OAM光束之間的相位差和頻率差增大時，糾纏度會減小，這意味著光錐會變得更加彎曲。作者還通過理論計算和數(shù)值模擬，來驗證他們的實驗結(jié)果，并與已有的量子場論中的預(yù)測進行了比較。

作者的工作是首次在實驗上觀測到了光錐的彎曲，這對于理解量子場論中的基本概念和原理有著重要的意義。同時，作者的工作也展示了一種基于光學(xué)的量子場模擬器的潛力和優(yōu)勢，它可以用來模擬一些難以用其他方式實現(xiàn)的量子場論中的現(xiàn)象，比如引力、黑洞、蟲洞等。作者希望他們的工作能夠為未來量子場模擬器的發(fā)展和應(yīng)用提供一些啟示和指導(dǎo)。