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物質的相變是如何產生的？鐵磁性又是如何產生的？一直以來，理解這類集體性的宏觀行為都是物理學中的一項巨大挑戰。許多這樣的問題都可以借助 量子場論的威力來解決。量子場論在描述如超導性、量子霍爾效應等涉及到 大量粒子相互作用的系統方面扮演著核心角色。因此，從宇宙學，到高能物理學，再到凝聚態物理學，量子場論都至關重要。

量子場論會通過將一個系統描述為在空間和時間上的場，并忽略掉系統中的許多微觀細節來解決問題。然而在通常情況下，為一個特定的問題去構建其量子場論模型是件非常復雜的任務，尤其是當這個系統是由許多相互作用的粒子組成的時候。因為要從實驗中獲得理論參數是很困難的，這會限制理論的預測能力。

現在，維也納大學和海德堡大學的一個研究團隊發展出了一種新的方法，可以 直接從實驗測量中獲得量子場論模型。這種方法可以將實驗數據整合到量子場論的構建中，從可測量的 相關函數中得到構建量子場論所需的一些關鍵的基本構件。然后，研究人員用 量子模擬器對這種方法進行了實驗驗證。

這一結果被發表在了近期的《物理評論X》上，研究人員希望這一方法將能幫助物理學家利用實驗來改進或發展可適用于各種不同實驗系統的量子場論。

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近年來，量子模擬器是一種備受關注的研究量子物理系統的方法。由于有的量子系統（如高溫超導體）欠缺令人滿意的描述，還有的量子系統（如大爆炸后不久的早期宇宙）根本無法被直接觀測到，因此想要對這些量子系統進行研究，就可以選擇一個能在實驗室中實現并控制的系統，并對它進行調整，使它的行為與真正感興趣的目標系統相似。

如果能夠創建并精確測量這樣一個可控的模擬系統，那么觀測到的實驗數據也就能直接反應目標系統的動力學。這之所以可行，是因為不同系統的不同量子物理描述之間具有一些基本的相似性。現在，這種方法正在許多實驗室中借用超冷原子、量子光學裝置或超導電路得以實踐。

然而，雖然量子模擬可以為特定的問題提供解決方案，但它不具有量子場論的一般適用性。無論科學家們研究的是怎樣的量子系統，他們總會遇到這樣一個基本問題： 如果系統所涉及的粒子數量太多，那么量子理論的公式很快就會變得過于復雜，復雜到即使用世界上最強大的超級計算機也無法進行求解。而物理學家想要研究的正是那些由許多粒子構成的系統，因為這也往往是在現實世界中發揮作用的系統。

○ 多粒子系統的量子理論無法被精確求解，它需要近似。| 圖片來源：TU Wien

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一般說來，我們是無法為多粒子系統求解出精確的量子理論的。因此，物理學家要做的必須是找到一個包含所有基本屬性的簡化版量子描述，但不能再依賴于每個單個粒子的細節。這就好比在描述氣體時，我們不會對氣體中的每個原子都感興趣，而是對如壓強、溫度等一般變量更感興趣。

那么對多體系統要如何得出這樣的理論呢？純粹從數學上推導出適用于單個粒子的自然法則會是極其復雜的，而且就現在看來，這也是不必要的。從某種意義上說，物理學家在新研究中所發現的那種可以直接從實驗中讀取量子場論描述的方法，是自然告知我們的公式，我們必須用這個公式來描述自然。

每一個量子理論都必須遵循一定的形式規則，比如相關性、傳播子、頂點、費曼圖等，這些都是每個量子物理模型的基本組成部分。因此在新的研究中，物理學家找到了一種可以在實驗中獲取這些獨立的基本構件的方法。他們將量子場論和量子模擬結合了起來，發現量子模擬器實驗可以直接用來確定場論的基本構件。

在新的方法中，研究人員采用了一個基于所謂的 等時相位相關函數的量子場論公式。這種相關測量的是在給定時間上，處于兩個點上的場的相位相差一定數量的概率。換句話說，新的研究為量子場論的參數和可測相關函數之間建立了直接聯系。

○ 在實驗中，研究人員使用了成千上萬的超冷原子云，這些原子被困在原子芯片（金）的磁阱中。從這些原子云的量子波型中，研究人員可以確定相關函數，并從這些相關函數中推導出恰當理論的基本構件。| 圖片來源：TU Wien

新研究的成功為將來研究更復雜的例子鋪平了道路。研究人員希望，這一發現可以大大簡化量子多體系統的研究，從而為物理學中的一些重大問題帶來新的啟發。