来自剑桥大学、根特大学和牛津大学的物理学家证明，量子粒子穿过有序与无序之间的边界时会透射而非反射，但会以一种改变后的扩散形态出现。这项发表在Nature Physics上的结果，或有助于解释自20世纪80年代以来一直受到讨论的物理难题——磁单极子悖论。
关键事实
- 团队研究了量子波包穿越自旋链模型中对偶缺陷的过程。
- 在该模型中，粒子每次都会穿过缺陷，而不是反弹回来。
- 穿越后，粒子成为一个非局域对象，并由一条通向缺陷的不可见弦相连。
- 研究人员发现，此前被视为虚拟的数学空间代表了缺陷的内部量子态。
这一结果如何描述粒子穿越对偶缺陷？
结果表明，粒子穿越对偶缺陷时可以完美透射，却不再保持普通的局域粒子形态。它会重新出现为一种微弱、扩散的激发态，并通过一条不可见的弦与缺陷相连。研究人员将这种转变后的状态比作“一缕雾丝”。
对偶缺陷是有序与无序之间的边界。团队使用自旋链——一种简单的量子物质模型——并向这类边界发射量子波包。波包是局域化的量子波束，可用于识别粒子可能的位置和运动。
研究人员表示，粒子没有可供反射的边界，因为缺陷能够自由移动。因此，粒子能够完美透射，但其身份会在过程中发生变化。出射态是非局域的：它与一条向后延伸至缺陷的弦相关联。
这对磁学谜题为何重要？
这项工作为澄清磁单极子悖论提供了一条路径。自20世纪80年代以来，物理学家一直在研究带电粒子与磁单极子——即孤立的磁荷——散射时会发生什么。早期工作似乎显示出射态消失了，而后来的工作则提出，缺失的态被隐藏在磁单极子的扭曲扇区中。
这项新研究在其自旋链体系中找到了转变后粒子的类似去向。粒子并非被反射或只是消失，而是穿过缺陷，成为一种延展的激发态，其弦仍与该边界相连。作者表示，这一结果或有助于解决长期存在的磁单极子难题。
该研究还为用于描述缺陷框架中的一个数学组成部分赋予了物理解释。研究人员发现，张量网络描述中的虚拟空间并非只是记账工具：它是缺陷的内部量子态。其大小决定了缺陷携带的内部自由度数量。
这对物理学学生和研究人员意味着什么
对于从事量子物质研究的学生和研究人员而言，这项研究提供了一个具体例子，说明基于纠缠的工具和张量网络如何描述具有实验意义的过程。它还将有关不可逆对称性和对偶缺陷的抽象概念，与一个直接问题联系起来：当量子激发态遭遇其中之一时会发生什么？
由于采用的是简单的自旋链模型，这种效应可在现有量子模拟平台上检验，包括冷原子、囚禁离子和超导处理器。研究人员表示，这类实验可能首次直接观测到粒子穿过拓扑界面时改变身份。
团队如何得出这一发现？
研究人员以自旋链模拟量子物质，并使用量子波包探测对偶缺陷。他们的分析建立在张量网络方法之上；这类方法通过纠缠而非仅仅通过粒子来描述量子物质。
论文“Perfect particle transmission through duality defects”由Atsushi Ueda及其同事撰写，于2026年发表在Nature Physics。该工作涉及剑桥、根特和牛津的研究人员。
常见问题
什么是对偶缺陷？
对偶缺陷是研究人员所研究量子系统中有序与无序之间的边界。研究发现，当量子粒子穿越它时，粒子会通过，但会转变为一种与缺陷相连的非局域、扩散激发态。
这种效应能否通过实验检验？
可以。由于底层模型是简单的自旋链，研究人员表示，这种效应可在现有量子模拟平台上检验，包括冷原子、囚禁离子和超导处理器。
