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(gè)基本原理是量子場(chǎng)論，它認(rèn)為物質(zhì)和輻射都可以用場(chǎng)來描述，而場(chǎng)是一種在時(shí)空中分布的物理量。量子場(chǎng)論可以解釋很多高能物理實(shí)驗(yàn)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(chǎng)論也有一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，那就是它很難在實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行驗(yàn)證和探索。因?yàn)橐M量子場(chǎng)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(shí)現(xiàn)的。因此，科學(xué)家們想出了一個(gè)辦法，那就是用另一種可控的量子系統(tǒng)來模擬量子場(chǎng)論中的過程，這就是所謂的量子場(chǎng)模擬器。

量子場(chǎng)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(shí)驗(yàn)觀測(cè)或理論計(jì)算的問題，比如強(qiáng)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(chǎng)模擬器被提出和實(shí)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(chǎng)模擬器，來模擬一個(gè)重要的概念：光錐。光錐是指在相對(duì)論性時(shí)空中，一個(gè)事件能夠影響到的區(qū)域的形狀。在平直的時(shí)空中，光錐是一個(gè)錐形，因?yàn)楣馑偈怯邢耷也蛔兊摹５牵趶澢臅r(shí)空中，光錐也會(huì)發(fā)生彎曲，因?yàn)闀r(shí)空本身會(huì)受到物質(zhì)和能量的影響而變形。光錐對(duì)于理解時(shí)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(dòng)量（OAM）的光束。這種光束有一個(gè)螺旋形狀的相位前沿，可以攜帶一個(gè)整數(shù)倍于普朗克常數(shù)（h）的角動(dòng)量。作者通過調(diào)節(jié)兩個(gè)OAM光束之間的相位差和頻率差，來制造出一個(gè)類似于電磁場(chǎng)中電荷和磁單極子對(duì)（dyon pair）的結(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)構(gòu)可以看作是一個(gè)簡(jiǎn)化版的量子場(chǎng)模擬器，它可以模擬出一個(gè)彎曲時(shí)空中電磁場(chǎng)中電荷和磁單極子對(duì)之間相互作用產(chǎn)生的效果。這個(gè)效果就是光錐的彎曲。

作者通過測(cè)量?jī)蓚€(gè)OAM光束之間的糾纏度，來觀測(cè)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(gè)量子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)性。作者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩個(gè)OAM光束之間的相位差和頻率差增大時(shí)，糾纏度會(huì)減小，這意味著光錐會(huì)變得更加彎曲。作者還通過理論計(jì)算和數(shù)值模擬，來驗(yàn)證他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并與已有的量子場(chǎng)論中的預(yù)測(cè)進(jìn)行了比較。

作者的工作是首次在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到了光錐的彎曲，這對(duì)于理解量子場(chǎng)論中的基本概念和原理有著重要的意義。同時(shí)，作者的工作也展示了一種基于光學(xué)的量子場(chǎng)模擬器的潛力和優(yōu)勢(shì)，它可以用來模擬一些難以用其他方式實(shí)現(xiàn)的量子場(chǎng)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?yàn)槲磥砹孔訄?chǎng)模擬器的發(fā)展和應(yīng)用提供一些啟示和指導(dǎo)。