光锥弯曲了？量子场模拟器实现时空变形的实验观测

量子力学是一门描述微观世界的科学，它揭示了许多奇妙而又难以理解的现象，比如叠加态、不确定性、纠缠等。量子力学的一个基本原理是量子场论，它认为物质和辐射都可以用场来描述，而场是一种在时空中分布的物理量。量子场论可以解释很多高能物理实验中观察到的现象，比如粒子的产生和湮灭、基本相互作用等。

但是，量子场论也有一个很大的挑战，那就是它很难在实验上进行验证和探索。因为要模拟量子场论中的过程，需要用到非常高的能量和精度，而这些在目前的技术水平下是很难实现的。因此，科学家们想出了一个办法，那就是用另一种可控的量子系统来模拟量子场论中的过程，这就是所谓的量子场模拟器。

量子场模拟器是一种利用人工制造的量子系统来模拟自然界中的量子现象的装置。它可以用来研究一些难以直接实验观测或理论计算的问题，比如强相互作用、相变、拓扑序等。目前，已经有很多种不同类型的量子场模拟器被提出和实现，比如用超冷原子、离子阱、光晶格、超导回路等。

最近发表在PNAS的一篇论文中，作者利用了一种基于光学的量子场模拟器，来模拟一个重要的概念：光锥。光锥是指在相对论性时空中，一个事件能够影响到的区域的形状。在平直的时空中，光锥是一个锥形，因为光速是有限且不变的。但是，在弯曲的时空中，光锥也会发生弯曲，因为时空本身会受到物质和能量的影响而变形。光锥对于理解时空结构和因果关系有着重要的意义。

作者使用了一种特殊的光束，叫作带有轨道角动量（OAM）的光束。这种光束有一个螺旋形状的相位前沿，可以携带一个整数倍于普朗克常数（h）的角动量。作者通过调节两个OAM光束之间的相位差和频率差，来制造出一个类似于电磁场中电荷和磁单极子对（dyon pair）的结构。这个结构可以看作是一个简化版的量子场模拟器，它可以模拟出一个弯曲时空中电磁场中电荷和磁单极子对之间相互作用产生的效果。这个效果就是光锥的弯曲。

作者通过测量两个OAM光束之间的纠缠度，来观测光锥的弯曲程度。纠缠度是一种量化量子纠缠的指标，它反映了两个量子系统之间的关联性。作者发现，当两个OAM光束之间的相位差和频率差增大时，纠缠度会减小，这意味着光锥会变得更加弯曲。作者还通过理论计算和数值模拟，来验证他们的实验结果，并与已有的量子场论中的预测进行了比较。

作者的工作是首次在实验上观测到了光锥的弯曲，这对于理解量子场论中的基本概念和原理有着重要的意义。同时，作者的工作也展示了一种基于光学的量子场模拟器的潜力和优势，它可以用来模拟一些难以用其他方式实现的量子场论中的现象，比如引力、黑洞、虫洞等。作者希望他们的工作能够为未来量子场模拟器的发展和应用提供一些启示和指导。