当你想要解释宇宙尺度的现象时，比如黑洞碰撞时产生的引力波，相对论是很有用的。量子理论在描述粒子尺度的现象时效果很好，比如原子中单个电子的行为。但是，以一种完全令人满意的方式将两者结合起来还有待实现。对“量子引力理论”的探索被认为是科学中尚未解决的重大任务之一。
部分原因是这个领域的数学非常复杂。与此同时，进行合适的实验也很困难:人们必须创造一种情况，在这种情况下，相对论的现象都发挥重要作用，例如，被重质量弯曲的时空，同时，量子效应变得可见，例如光的双粒子和波的性质。
在奥地利维也纳的维也纳工业大学，为了达到这个目的，一种新的方法已经被开发出来:一个所谓的“量子模拟器”被用来弄清这些问题的根源:人们不是直接研究感兴趣的系统(即弯曲时空中的量子粒子)，而是创建一个“模型系统”，然后人们可以通过类比来了解实际感兴趣的系统。研究人员现在已经证明，这种量子模拟器工作得非常出色。克里特岛大学、南洋理工大学和柏林大学的物理学家参与了这项国际合作，研究结果发表在美国国家科学院院刊(PNAS)上。
从一个系统中学习布特的另一个
量子模拟器背后的基本思想很简单:许多物理系统是相似的。即使它们是完全不同种类的粒子或不同尺度的物理系统，乍一看彼此之间没有什么关系，这些系统也可能在更深层次上遵循相同的定律和方程。这意味着人们可以通过研究一个特定的系统来了解另一个系统。
“我们采用了一个量子系统，我们知道我们可以在实验中很好地控制和调整，”维也纳理工大学原子研究所的Jörg Schmiedmayer教授说。“在我们的研究中，这些是由一个带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，使它们的性质可以转化为另一个量子系统。在这种情况下，你可以从原子云模型系统的测量中了解另一个系统——就像你可以从连接在金属弹簧上的质量的振荡中了解钟摆的振荡一样:它们是两个不同的物理系统，但一个可以转化为另一个。
的gravitatioNal透镜效应
“我们现在已经能够证明，我们可以用这种方式产生类似时空曲率的效应，”维也纳量子科学与技术中心(VCQ)的穆罕默德·塔克说，他是当前论文的第一作者。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，如果光受到重质量的影响，比如太阳的引力，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。这就是所谓的“引力透镜效应”。
同样的情况现在也可以出现在原子云上。我们考察的不是光速，而是声速。“现在我们有一个系统，其中有一种效应对应于时空曲率或引力透镜，但与此同时，它是一个量子系统，你可以用量子场论来描述，”穆罕默德·塔克说。“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。”
量子引力的模型系统
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证明，正如在相对论性宇宙系统中所期望的那样。这不仅对为基础理论研究产生新数据很有趣——固态物理学和寻找新材料也会遇到具有类似结构的问题，因此可以通过这样的实验来回答。
“我们现在想要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以一种非常有针对性的方式改变，”Jörg Schmiedmayer解释说。通过这种方式，量子模拟器可以重现即使用超级计算机也无法计算的复杂物理情况。
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一个新的、额外的信息来源。在研究原子云时，研究小组希望发现迄今为止可能完全未知的新现象，这些现象也发生在宇宙相对论尺度上——但如果不观察微小粒子，它们可能永远不会被发现。
