当你想解释宇宙尺度的现象时，相对论很有效——比如黑洞碰撞时产生的引力波。量子理论在描述粒子尺度现象时效果很好——例如原子中单个电子的行为。但以完全令人满意的方式将两者结合起来尚未实现。寻找“引力的量子理论”被认为是科学界尚未解决的重大任务之一。

这部分是因为该领域的数学非常复杂。同时，很难进行合适的实验：必须创造一种情况，在这种情况下，相对论的现象都起着重要作用，例如，由重质量弯曲的时空，同时，量子效应变得可见，例如光的双粒子性和波动性。

在奥地利维也纳的TUWien，现在已经为此开发了一种新方法：使用所谓的“量子模拟器”来弄清这些问题的真相：而不是直接研究感兴趣的系统(即量子弯曲时空中的粒子)，人们创建了一个“模型系统”，然后人们可以从中通过类比了解实际感兴趣的系统。研究人员现在已经证明这个量子模拟器运行良好。

这项由克里特大学、南洋理工大学和柏林联合大学物理学家参与的国际合作研究结果现已发表在美国国家科学院院刊(PNAS)上。

从一个系统学习另一个系统

量子模拟器背后的基本思想很简单：许多物理系统都是相似的。即使它们是完全不同种类的粒子或不同尺度的物理系统，乍一看彼此之间关系不大，但这些系统在更深层次上可能遵循相同的定律和方程。这意味着一个人可以通过研究另一个系统来了解某个特定系统。

“我们采用了一个我们知道可以在实验中很好地控制和调整的量子系统，”维也纳工业大学原子研究所的JörgSchmiedmayer教授说。“在我们的例子中，这些是由具有电磁场的原子芯片控制和操纵的超冷原子云。”

假设你适当地调整了这些原子云，使它们的特性可以转化为另一个量子系统。在那种情况下，您可以从原子云模型系统的测量中了解其他系统的一些信息——就像您可以从连接到金属弹簧的质量的振动中了解钟摆的振动一样：它们是两个不同的物理系统，但一个可以转化为另一个。

引力透镜效应

维也纳量子科学与技术中心(VCQ)的MohammadaminTajik说：“我们现在已经能够证明，我们可以通过这种方式产生类似于时空曲率的效果。”当前的论文。

在真空中，光沿着所谓的“光锥”传播。光速是恒定的;在相同的时间，光在每个方向上传播的距离相同。然而，如果光线受到太阳引力等重质量的影响，这些光锥就会弯曲。在弯曲的时空中，光的路径不再是完全笔直的。这被称为“引力透镜效应”。

现在可以在原子云中显示相同的内容。人们不检查光速，而是检查声速。“现在我们有一个系统，其中存在对应于时空曲率或引力透镜效应的系统，但与此同时，它是一个可以用量子场论描述的量子系统，”MohammadaminTajik说。“有了这个，我们就有了一个全新的工具来研究相对论和量子理论之间的联系。”

量子引力模型系统

实验表明，光锥的形状、透镜效应、反射和其他现象可以在这些原子云中精确地展示，正如在相对论宇宙系统中所预期的那样。这不仅对为基础理论研究生成新数据很有趣——固态物理学和新材料的搜索也遇到具有相似结构的问题，因此可以通过此类实验来回答。

“我们现在希望更好地控制这些原子云，以确定更深远的数据。例如，粒子之间的相互作用仍然可以非常有针对性地改变，”JörgSchmiedmayer解释说。通过这种方式，量子模拟器可以重现复杂到即使使用超级计算机也无法计算的物理情况。

因此，除了理论计算、计算机模拟和直接实验之外，量子模拟器成为量子研究的新的、额外的信息来源。在研究原子云时，研究小组希望遇到迄今为止可能完全未知的新现象，这些现象也发生在宇宙的相对论尺度上——但如果不观察微小的粒子，它们可能永远不会被发现.