我们对空间的感觉并没有超出我们熟悉的三个维度，但这并不能阻止科学家们玩弄那些超越三维的东西。

莱斯大学的物理学家正在新的实验中推进空间边界。他们已经学会了用一种非常精确的方式去控制巨大的里德堡原子中的电子，从而实现创建出一种“合成维度”，这是量子模拟的重要工具。

莱斯大学的研究团队开发了一种技术，通过应用共振微波电场将多个态耦合在一起，来设计出超冷锶原子的里德堡态。当原子中的一个电子被能量激发到高激发态时，就会产生里德堡态，这会使电子轨道变得超级大，从而使原子比正常时大数千倍。

超冷里德堡原子比绝对零度高约百万分之一度。通过精确灵活地操纵电子运动，莱斯大学的研究人员以模拟真实材料的方式耦合了晶格状的里德堡能级。这些技术还可以帮助实现在真实三维空间中无法实现的系统，这为量子研究创造一个强大的新平台。

莱斯大学物理学家Tom Killian、Barry Dunning和Kaden Hazzard都该技术倡议的成员，他们与论文主要作者Soumya Kanungo在《自然通讯》上发表的一篇论文中详细介绍了这项研究。该研究建立在Killian和Dunning于2018年首次探索里德堡原子的工作基础之上。

里德堡原子拥有许多有规则间隔的量子能级，这些能级可以通过微波耦合，从而使高度激发的电子从一个能级移动到另一个能级上。这个“合成维度”中的动力学在数学上相当于一个粒子在真实晶体的晶格位置间移动。

莱斯大学物理学和天文学副教授Hazzard在之前的几次研究中为这项研究奠定了理论基础。他说：“在一个典型的高中物理实验中，人们可以看到原子的发光线对应于从一个能级到另一个能级的跃迁。人们甚至可以用非常原始的光谱仪看到这一点：棱镜！”
 
他接着说道：“这里的新奇之处在于，我们将每一层都视为空间中的一个位置。通过发送不同波长的光，我们可以耦合能级。我们可以使能级看起来像在空间不同位置间移动的粒子。这对于光或纳米波长的电磁辐射是很难做到的，但我们正在研究毫米波，这使得在技术上更容易产生耦合。”

莱斯大学物理学和天文学教授Killian说：“我们可以建立相互作用、粒子移动的方式，并获得一个更复杂系统的所有重要物理学。真正令人兴奋的是，当我们将多个里德堡原子结合在一起时，在这个合成空间中创造出了相互作用的粒子。有了这个，我们将能够做无法在经典计算机上模拟的物理，因为它很快就会变得复杂。”

研究人员通过实现一种被称为Su-Schrieffer-Heeger(SSH)系统的一维晶格来展示他们的技术。为了做到这一点，他们使用激光冷却锶原子，并使用弱耦合和强耦合交替的微波来创造合适的合成空间。第二组激光被用于将原子激发到耦合的、高位里德堡态的流形中。

Killian表示，该实验揭示了粒子如何在一维晶格中移动，或者在某些情况下，即使它们有足够的能量进行移动，它们也会在边缘被冻结。这与可以用拓扑描述的材料特性有关。

Kanungo说：“当使用毫米波耦合里德堡原子态时，控制耦合幅度要容易得多。当我们实现一维晶格时，在所有耦合都到位的情况下，我们可以尝试看看将里德堡电子激发到那个合成空间会产生什么样的动力学。”

Killian说：“使用量子模拟器有点像使用风洞来隔离汽车或飞机等更复杂空气动力学中你关心的小而重要的影响。当系统由量子力学控制时，这一点变得很重要，一旦你得到超过几个粒子和几个自由度，描述正在发生的事情就变得很复杂了。

他说：“量子模拟器是人们认为很容易实现的成果之一，它是量子信息科学领域早期的有用工具。”他指出，这项实验结合了目前在研究原子物理领域中相当标准的技术。他说：“所有的技术都是成熟的。你甚至可以想象这几乎变成了一个人们可以使用的黑匣子实验，因为各个部分都非常坚固。”（编译:Qtech）