Unruh效应 [1] 是量子场论的重要结果，是一种平直时空中的量子热效应。然而，此效应非常微弱以至于迄今还未被实验观测到。最近一项实验利用核磁共振量子模拟器，在实验室中实现了对Unruh效应的量子模拟。

相关的论文题为：“Experimentalsimulation of the Unruh effect on an NMR quantum simulator”，为近期出版的2016年第3期Science China-Physics, Mechanics & Astronomy（《中国科学: 物理学 力学 天文学》英文版）的文章，由中国科技大学杜江峰教授研究组与中科院强磁场科学中心陈宏伟合作完成。研究者采用核磁共振技术，操控自旋标记的氯仿分子中的碳、氢、氟核自旋，实现了对Unruh效应的量子模拟。

Unruh效应是1976年英属哥伦比亚大学的William G. Unruh所提出。简单地说，Unruh效应指的是，在惯性观测者定义的真空中，匀加速观测者会认为自己处于一个充满了辐射粒子的热库。这个热库的温度正比于观测者的固有加速度，通常称之为Unruh温度。此效应在研究黑洞边界的粒子辐射及宇宙视界问题上有着重要的应用 [2]。然而，Unruh效应太过微弱以至于目前的实验条件无法直接观测到。量子模拟 [3, 4]是使用实验室中可控的量子系统去模拟待研究的量子系统。此方法作为一种有效的实验手段可以用于研究经典计算机难以计算的问题和实验条件无法观测的现象，近年来已广泛应用于凝聚态物理、高能物理、宇宙学和量子化学等领域。

图1  (a) 氯仿分子中的¹³C, ¹H and ¹⁹F核自旋构成量子模拟器; (b)模拟Unruh效应的实验脉冲序列.

研究者利用量子模拟的方法研究Unruh效应 [5]，弥补了实验观测技术上的不足。他们采用自旋标记的氯仿分子中的碳、氢、氟核自旋 [如图1 (a)所示]，在核磁共振技术的操控下构成量子模拟器，操控的射频脉冲序列如图1 (b)所示。通过此量子模拟器，研究者首先研究了Unruh温度随加速度大小的变化关系，得到的实验结果与理论描述一致，如图2所示。其次模拟研究了在Unruh效应下，两个费米子中的量子关联随加速度大小变化的行为，并首次揭示了经典关联的量子态在Unruh效应下会产生量子关联。此实验是在布鲁克Avance III 400MHz 核磁共振谱仪上完成的。

图2  模拟的Unruh温度随加速度参数变化的曲线图。蓝色小三角形是实验结果，蓝色实线是理论计算的结果.

有趣的是，Unruh效应是费曼1988年去世前列在黑板上有待研究的问题之一，而量子模拟的思想也正是费曼在1982年首先提出。研究者在实验室中实现了对Unruh效应的量子模拟，可以为研究加速系统中的量子物理提供了一种实用的方法，并有望应用于黑洞物理、宇宙学及粒子物理等领域的相关问题研究。

该项研究得到了国家重点基础研究发展计划 (批准号:2013CB921800 and 2014CB848700)和国家自然科学基金 (批准号: 11227901, 91021005, 11375167, 11374308,11104262 and 11275183)的资助。

[1] W. G. Unruh, Phys. Rev. D 14, 870 (1976).

[2] L. C. B. Crispino, A. Higuchi, and G. E. A. Matsas, Rev.Mod. Phys. 80, 787 (2008).

[3] R. Feynman, Int. J. Theor. Phys. 21, 467 (1982).

[4] S. Lloyd, Science 273, 1073 (1996).

[5] F. Z. Jin, H.W. Chen, X. Rong, H. Zhou, M. J. Shi, Q. Zhang, C. Y. Ju, Y. F. Cai, S. L. Luo,X. H. Peng, and J. F. Du, Experimental simulation of the Unruh effect on an NMRquantum simulator, Science China-Physics,Mechanics & Astronomy, 2016, Vol. 59, Issue (3): 630302,  DOI: 10.1007/s11433-016-5779-7

http://phys.scichina.com:8083/sciGe/EN/Y2016/V59/I3/630302

订阅《中国科学: 物理学 力学 天文学》微信公众号, 手机同步关注最新热点文章、新闻、科技资讯, 请添加微信号SCPMA2014或扫描下方图片关注.