一个粒子从未碰到磁场，却被磁场牢牢“拦”在原地，动弹不得。

这听起来像魔术，却是量子世界里真实存在的奇妙现象。英国牛津大学的物理学家利用一台混合型量子计算机，成功模拟并重现了这一效应。

研究由牛津大学博士后塞巴斯蒂安·萨纳领衔，海伦妮·海因策、加布里埃尔·阿拉内达和奥安娜·巴扎万等科学家参与，成果发表在《自然·物理》期刊上。

这两项工作表明，量子计算机正在成为探索基础物理的有力工具。

一个看不见的磁场，就这样跨越六十多年的时光，再次在实验室里展示了它的“隐身魔力”。

故事要从1959年说起。那一年，物理学家亚基尔·阿哈罗诺夫和戴维·玻姆提出了一个令人困惑的预言。

在经典物理中，带电粒子只有进入磁场，才会受到磁力的影响。磁场之外，粒子应当“毫无感觉”。

但两位物理学家指出，在量子世界里，即使粒子始终在磁场外运动，只要它绕着一块有磁通量的区域走一圈，它的量子相位就会发生改变。

这一现象后来被称为阿哈罗诺夫—玻姆效应，简称AB效应。此后，科学家通过电子实验多次证实了它的存在。

它也深刻地揭示出，电磁势并非只是计算工具，而是具有真实物理意义的量。

要理解它，可以想象粒子同时走两条路，绕着中间的磁场区域分别从左边和右边经过。

在量子力学中，粒子像波一样，两条路径的波会叠加。磁通量的存在会让两条路径的“节拍”发生错位，就像两列水波一个波峰撞上另一个波谷，相互抵消。

牛津团队的工作从2022年开始。他们要做的，是在量子计算机中搭建一个微型的“量子环路”，再现这一效应。

他们使用的是离子阱量子计算机。科学家把带电的离子悬浮在电磁场中，利用离子内部的电子状态作为量子比特，用来扮演“规范场”，也就是传递电磁相互作用的场。

离子的振动则被用来扮演“物质”。研究人员在两个位置设置了物质振子，再用两个场量子比特把它们连接起来，形成一个闭合的环路。

整个实验采用了“数字加模拟”的混合方式。数字操作用于制备和测量系统状态，模拟演化则用于模拟物质与场之间的相互作用。

最巧妙的一步，是磁通量的表示方式。团队用两个量子比特之间的纠缠态，来代表穿过环路的磁通量。

萨纳解释说，最令人兴奋的是把磁通量编码进一个本身也在变化的规范场中。这样一来，物质和场共享同一套量子动力学，而不是让物质在一个固定不变的背景中运动。

这样做部分是出于硬件限制，因为他们的设备无法直接施加固定的背景磁通。但这一“将计就计”的设计，反而让模拟更接近真实的物理世界。

在没有磁通量的情况下，粒子可以在两个位置之间自由“隧穿”，来回穿梭，就像在两个房间之间自由走动。

一旦加入磁通量，情况立刻改变。粒子通往另一个位置的两条路径发生相消干涉，彼此抵消，隧穿被完全阻止。

结果，系统回到了初始状态，粒子仿佛被定在原地，尽管它从未进入磁场所在的区域。

这正是AB效应最反直觉的地方：真正起作用的不是粒子身边有没有磁场，而是它的路径包围了多少磁通量。

马里兰大学团队则用类似的混合系统，模拟了汤川势。这是描述原子核内部强相互作用的一种重要势能，对核物理和粒子物理研究意义重大。

规范场理论是现代物理学的基石，从电磁相互作用到强、弱相互作用，都要用它来描述。但当系统规模变大时，传统计算机往往难以模拟其中复杂的量子行为。

正如物理学史上许多重大突破一样，最初的一小步往往预示着广阔的未来。一个被“定住”的粒子，或许正为人类打开理解自然规律的一扇新窗。