1813
Команда фізиків з Каліфорнійського технологічного інституту та європейських університетів уперше безпосередньо виміряла енергетичні рівні, які понад 40 років передбачає конформна теорія поля. Як повідомляє SciTechDaily, для цього дослідники використали квантовий симулятор на основі нейтральних атомів стронцію в оптичних пінцетах.
У точках фазових переходів, коли речовина змінює свій стан, дуже різні матеріали раптом починають підкорятися однаковим математичним законам. Кипіння води чи зникнення намагніченості — класичні приклади таких переходів. Фізики називають це явище універсальністю: дрібні мікроскопічні деталі «змиваються», і залишаються лише кілька ключових характеристик системи.
Велику частину цієї універсальної поведінки описують за допомогою конформної теорії поля — математичної рамки, яка задає, зокрема, співвідношення між енергетичними рівнями в критичній точці. У новій роботі, опублікованій у журналі Nature, експериментальна група під керівництвом Мануеля Ендреса (Manuel Endres) та теоретична група Джейсона Алісеа (Jason Alicea) разом із колегами з Університету Париж-Сакле та Технічного університету Мюнхена дослідили дві такі теорії за допомогою квантових симуляторів.
Що саме перевірили квантові симулятори
Дослідники змогли безпосередньо виміряти рівні енергії у штучній квантовій матерії, які передбачаються конформною теорією поля Ізінга та трикритичною теорією Ізінга. Обидві теорії описують універсальну поведінку квантових систем у критичній точці між двома станами, де один є більш впорядкованим, ніж інший. Ідеться про квантові фазові переходи, що відбуваються не через нагрівання, а суто завдяки квантовим ефектам поблизу абсолютного нуля.
У такій критичній точці лазери можуть збуджувати систему до послідовності чітко розділених енергетичних станів, схожих на щаблі драбини. Конформна теорія поля вже близько 40 років задає точні відносні відстані між цими «щаблями», але донині ці співвідношення не вдавалося перевірити експериментально.
«Наші нові інструменти багато в чому запозичені з платформ квантових обчислень», пояснює аспірант Сянькай Сун (Xiangkai Sun), один із провідних авторів роботи. За останнє десятиліття фізики навчилися дуже точно керувати такими системами, і тепер їх можна використовувати для фундаментальних перевірок теорій.
Ланцюжок атомів стронцію та новий метод спектроскопії
Квантовий симулятор побудували на основі технології, яку лабораторія Ендреса також застосовує для створення квантових комп’ютерів: масивів нейтральних атомів, утримуваних лазерними променями — оптичними пінцетами. Раніше подібна установка в цій лабораторії змогла одночасно утримати 6100 атомів в одному масиві.
У цьому експерименті атоми стронцію спочатку розташували в один ряд за допомогою оптичних пінцетів. Додаткові лазери перевели їх у високоенергетичні ридбергівські стани, через що сусідні атоми почали сильно взаємодіяти. У результаті весь ланцюжок поводився як єдина колективна квантова система, а не як набір окремих частинок. Потім параметри лазерів налаштували так, щоб система опинилася в критичній точці, передбаченій теорією.
Щоб виміряти енергетичний спектр, команда розробила метод, який назвали багаточастинковою модуляційною спектроскопією. Вони «розгойдували» весь ланцюжок, повільно змінюючи частоту лазерів, і фіксували, наскільки сильно атоми реагують на кожну частоту. Відстежуючи піки відгуку, дослідники відновили структуру енергетичної «драбини». За задумом це нагадує тертя мокрим пальцем по краю келиха: склянка резонує лише на «правильній» частоті.
Підтвердження спектрів Ізінга та трикритичного Ізінга
Команда повторювала експеримент для ланцюжків до 35 атомів. Після відповідного масштабування розміру системи отримані спектри «наклалися» один на один і збіглися з універсальною кривою, яку передбачає конформна теорія поля Ізінга. Далі дослідники налаштували систему на трикритичну точку і виміряли найнижчі енергетичні рівні її спектра. Вони також виявилися у тих самих відносинах, які задає трикритична теорія Ізінга.
Оскільки вчені могли керувати кожним атомом окремо, їм вдалося провести вимірювання, які були б надзвичайно складними у звичайних твердих тілах. Коли вони розсортували збудження за симетрією, відкрилася друга «сім’я» енергетичних рівнів, прихована в початкових даних. Зміна атомів на кінцях ланцюжка також перебудувала енергетичну драбину, утворивши інший візерунок рівнів, який передбачає трикритична теорія Ізінга.
За словами Джейсона Алісеа, навіть якщо теорії добре опрацьовані, важливо мати реальну експериментальну систему, яку можна «штовхати й смикати» і перевіряти її поведінку. Співпадіння виміряних спектрів із теоретичними передбаченнями він називає особливо красивим результатом.
Наступний крок — двовимірні квантові системи
Надалі дослідники планують перейти від одномірних ланцюжків до більших систем, де атоми розташовані у вигляді двовимірних ґраток. У двох вимірах конформні теорії поля вивчені значно гірше, тож це відкриває нові можливості для відкриттів.
Мануель Ендрес підкреслює, що запропонована техніка не вимагає наперед знати «правильну відповідь». У цій роботі вони могли звірятися з точними теоретичними передбаченнями, але наступний крок — застосувати метод до систем, для яких ніхто не знає кількісної відповіді, зокрема до режимів, недоступних для класичних комп’ютерів.
Квантовий симулятор підтвердив спектр теорії поля Ізінга з’явилася спочатку на Цікавості.
