超冷原子实验立大功，量子场论中的互信息面积定律得到验证

量子场论是物理学中描述基本粒子和相互作用的理论框架。量子场论中的一个重要概念是纠缠，即两个或多个粒子之间存在一种超越经典物理的关联。纠缠可以用不同的方式来度量，其中一种是互信息，即两个子系统之间共享的信息量。互信息可以反映出子系统之间的纠缠和经典相关性。

在量子场论中，互信息有一个基本的性质，就是它遵循面积定律。这意味着，如果我们把一个系统分成两个空间上分离的子系统，那么它们之间的互信息与它们之间的边界面积成正比，而不是它们的体积。这个定律在平衡态的有能隙的量子多体系统中已经得到了理论证明，但在实验上验证它却非常困难，因为需要测量系统的冯诺依曼熵，即系统处于某个状态的不确定性。

为了解决这个问题，一组研究人员利用超冷原子模拟了一维量子场论，并用一种新颖的方法测量了系统中不同区域的冯诺依曼熵。他们首次在实验上验证了互信息面积定律，并研究了互信息随温度和区域间距离的变化。

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他们怎么做实验呢？他们使用了一种叫作超冷原子的装置，可以把原子冷却到接近绝对零度，并用激光束把它们困在一维的管道里。这样就可以用原子来模拟一维量子场理论中的粒子和相互作用。

他们通过调节激光束的强度和频率，可以改变原子之间的相互作用强度和温度，并观察原子在不同状态下的行为。他们通过测量不同空间区域内原子数分布的涨落来重构出密度矩阵，并从中计算出互信息。

他们发现，在平衡态下，互信息确实遵循面积定律，并且随着温度升高或者相互作用增强而减小。他们还发现，当两个子系统之间有一定距离时，互信息会快速衰减到零。这些结果与理论预测一致，并且展示了超冷原子模拟器在探索量子场论纠缠性质方面的潜力。

他们的工作是利用超冷原子探索量子场论纠缠性质的重要一步，并为未来利用超冷原子模拟器研究更复杂和更深刻的问题打开了新的可能性。这篇论文发表在2023年5月份的《自然物理》杂志上，也在arXiv上提供了预印本。