“假设你知道关于水分子的一切——化学式、键角等，”物理学系教授、量子信息与量子控制中心成员 Joseph Thywissen 说。多伦多大学。

“你可能知道关于分子的一切，但仍然不知道海洋上有波浪，更不用说如何冲浪了，”他说。“那是因为当你把一堆分子放在一起时，它们的行为方式可能是你无法预料的。”

Thywissen 正在描述物理学中称为涌现的概念：单个粒子与大量粒子的行为和特征之间的关系。他和他的合作者在理解这种从“一对多”粒子的转变方面迈出了第一步，他们研究的不是一个，也不是很多，而是两个孤立的相互作用的粒子，在这种情况下是钾原子。

今天发表在《自然》杂志上的一篇论文描述了这一结果，这是朝着理解自然量子系统以及它们如何导致更强大和更有效的量子模拟迈出的一小步。

多伦多大学的实验物理学家和科罗拉多大学的理论物理学家组成的合作团队测量了两个钾原子之间一种称为“p 波相互作用”的相互作用的强度，发现结果证实了一个长期存在的预测.

P 波相互作用在自然发生的系统中很弱，但研究人员预测它们的最大理论极限要高得多。该团队是第一个确认粒子之间的 p 波力达到这个最大值的团队。

“在我们的实验室中，我们能够一次分离出两个原子，”物理学博士 Vijin Venu 说。多伦多大学毕业。“这种方法避免了多原子系统的复杂性，并允许完全控制和研究成对原子之间的相互作用。”

该团队在 3D 光学晶格中分离出原子对——多伦多大学物理学博士后研究员 Cora Fujiwara 将其描述为“光的晶体”——在三个彼此成 90 度的激光束相交处创建。相交的光束产生高强度的固定节点，捕获成对的粒子。通过以这种方式隔离的成对，研究人员能够测量它们相互影响的强度。

“我们在实验中看到的是非凡的，”藤原说。“这是一个完美的小系统。现在我们对这个双粒子系统有了这样的理解，我们可以开始创建这些涉及更多粒子的奇异系统。”

这一结果对许多不同的技术产生了影响，包括超流体、超导和量子模拟的研究。

量子模拟是旨在理解原子、分子或化学反应等量子系统(由量子力学支配的系统)的模型。这些模拟有助于了解材料的特性如何从粒子间的相互作用中显现出来。

“事实上，我们观察到的自旋极化费米子之间的相互作用预计会产生新形式的非常规稳健超流体，这被认为是量子计算的潜在资源，”科罗拉多大学博尔德分校的物理学家，JILA 和美国国家标准与技术研究院的研究员。

用现有计算机解决量子模型的挑战是艰巨的;该任务被描述为向计算机教授量子力学。一个有前途的替代方案是使用现有的量子系统——换句话说，实际的原子和分子。

“对我们来说困难的事情，对大自然来说却很容易，”Thywissen 说。“因此，我们可以利用大自然的计算能力‘做它的事情’来解决我们难以解决的问题。”