在规范理论的冷原子量子模拟器中调控拓扑 $\theta$ 角

规范理论中的拓扑 $\theta$ 角引发了一系列基本现象，包括电荷-宇称（CP）对称性的破坏、动力学拓扑相变以及禁闭—退禁闭相变。同时，它给理论研究带来了重大挑战，因为它在数值模拟中导致符号问题。类比量子模拟器为处理带有此类拓扑项的量子多体系统提供了广阔前景，但与数字模拟器不同，它们尚未展示出调控 $\theta$ 角的能力。在此，我们展示了如何向具有 $\mathrm{U}(1)$ 规范对称性的原型理论（一维空间量子电动力学的离散版本）添加可调拓扑 $\theta$ 项。如我们所展示的，该模型可在具有三种不同空间周期的光超晶格中的单组分 Bose–Hubbard 模型中实验实现，因而仅需标准实验资源。通过基于含时密度矩阵重整化群方法和精确对角化的数值计算，我们对模型系统进行了基准测试，并说明了如何观测由 $\theta$ 项引起的显著效应。这些效应包括电荷禁闭、量子多体 scarring 的减弱，以及由于 CP 对称性的显式破缺导致的 Coleman 相变的消失。本工作为在大规模冷原子量子模拟器中研究拓扑规范理论项的丰富物理打开了大门。