Квантовый симулятор впервые показал предсказанную физиками «лестницу энергии»
Физики впервые напрямую измерили уровни энергии в искусственной квантовой системе, которые десятилетиями существовали только в теоретических расчетах. Результаты эксперимента опубликованы в журнале Nature. Команда Калифорнийского технологического института, Университета Париж-Сакле и Мюнхенского технического университета использовала цепочку атомов стронция, чтобы проверить предсказания двух моделей конформной теории поля.
Речь идет о теориях Изинга и трикритического Изинга. Они описывают поведение квантовых систем в особых точках перехода между разными состояниями. Трикритическая теория рассматривает еще более сложный случай, когда на границе сходятся три режима поведения системы.
Когда разные системы ведут себя одинаково
При некоторых фазовых переходах совершенно разные материалы начинают подчиняться одним и тем же математическим законом. Например, это происходит вблизи момента, когда магнит теряет намагниченность.
Физики называют такое свойство универсальностью. Микроскопические различия между системами перестают играть решающую роль, а поведение определяется небольшим числом общих параметров.
«Физики называют это свойство универсальностью — сложные микроскопические детали исчезают, и сохраняются лишь несколько основных характеристик», — объясняет Джейсон Алисеа, профессор теоретической физики Калифорнийского технологического института.
Описывать такие универсальные явления помогает конформная теория поля. Она позволяет рассчитывать, в частности, какие уровни энергии должна иметь система в критическом состоянии.
До сих пор эти расчеты проверяли в основном математически. Теперь физики смогли измерить соответствующие значения непосредственно.
Атомы превратили в квантовую модель
Эксперимент провели с помощью квантового симулятора. Это устройство, которое не является универсальным квантовым компьютером, а создается для моделирования конкретных физических процессов.
Исследователи выстроили в линию атомы стронция и удерживали их лазерами. Затем другие лазеры перевели атомы в так называемые ридберговские состояния. В таком состоянии атомы начинают особенно сильно взаимодействовать друг с другом.
В результате отдельные частицы стали вести себя как единая квантовая система. Ученые настроили ее параметры так, чтобы она оказалась в критической точке, где проявляется предсказываемая теориями Изинга универсальность.
Как прочитали «лестницу» энергий
Главной задачей было увидеть набор разрешенных энергетических уровней. Они образуют своеобразную «лестницу», причем расстояния между ее ступенями подчиняются определенным соотношениям.
Для этого команда использовала новый метод — спектроскопию многочастотной модуляции. Исследователи слегка изменяли параметры лазеров и постепенно меняли частоту воздействия. Когда частота совпадала с одной из характеристических частот системы, атомная цепочка начинала реагировать значительно сильнее.
Принцип можно сравнить с бокалом, который начинает звучать, если провести пальцем по его краю с подходящей скоростью. По пикам отклика физики восстановили энергетический спектр системы.
«За последние 10 лет люди научились управлять такими системами, и теперь мы достигли момента, когда можем использовать их для фундаментальных физических исследований», — говорит Сянкай Сун, один из руководителей работы и аспирант группы Мануэля Эндреса.
Эксперименты провели с цепочками длиной до 35 атомов. Полученные уровни совпали с расчетами для конформной теории поля Изинга. После изменения параметров системы физики достигли трикритической точки и получили уже другой набор энергетических уровней — с теми соотношениями, которые предсказывает трикритическая теория Изинга.
Квантовую систему можно изучать «по атомам»
У эксперимента есть еще одно преимущество. Исследователи могли обращаться к каждому атому отдельно и менять условия на концах цепочки.
Это позволило разделить возбуждения по их симметрии и обнаружить дополнительный набор энергетических уровней, который не был виден при первом измерении. Изменяя поведение атомов на концах цепочки, команда также получала разные варианты энергетического спектра, предусмотренные теорией.
«Хотя мы верили, что эти теории верны, важно получить экспериментальную реализацию, с которой можно взаимодействовать и которую можно исследовать. Увидеть, как эти предсказания подтверждаются на практике, — прекрасный результат», — говорит Алисеа.
В дальнейшем исследователи хотят перейти от одномерной цепочки к двумерной решетке атомов. Такие конформные теории поля изучены значительно хуже, поэтому квантовый симулятор может помочь исследовать области, для которых пока нет точных ответов.
«Что меня особенно воодушевляет, так это то, что этот метод не требует заранее знать ответ. Здесь мы могли сравнить измерения с точными предсказаниями, — говорит Мануэль Эндрес. — Следующий шаг — применить его к системам, количественное поведение которых пока никому неизвестно, в том числе к режимам, недоступным для классических компьютеров».
