Міжнародна команда фізиків під керівництвом дослідників Каліфорнійського технологічного інституту вперше безпосередньо спостерігала так звану «драбину енергії» в квантовій системі на межі перелому. Про це повідомляє ScienceAlert із посиланням на публікацію в журналі Nature.
Йдеться про передбачення, зроблені ще 1984 року фізиком Джоном Карді (John Cardy) за допомогою конформних польових теорій (conformal field theories, CFT). Ці теорії описують явище універсальності — коли різні матеріали поблизу критичних точок поводяться подібно, наприклад, при кипінні води або зникненні намагніченості.
Що таке «сходи енергії» в критичному стані
Карді передбачив, що системи в критичному стані мають поглинати енергію не довільно, а у фіксованих, суворо визначених схемах. Дослідники порівнюють ці схеми з перекладинами на драбині: енергетичні рівні розташовані як рівномірні сходинки.
До цього часу ці «сходи» існували лише в теорії, їх ніколи не вдавалося безпосередньо спостерігати чи вимірювати. У новій роботі команда змогла зафіксувати передбачені енергетичні рівні, використавши спеціальний квантовий симулятор.
На думку теоретичного фізика Джейсона Алісеа (Jason Alicea) з Caltech, енергетичні рівні, передбачені конформними польовими теоріями, є важливими, оскільки «кодують глибоку інформацію» про самі теорії. Хоча фізики й були впевнені в їхній правильності, для науки принципово мати експериментальну реалізацію, яку можна досліджувати.
Як працював квантовий симулятор зі стронцієвих атомів
Симулятор, який використала команда, — це спрощена, спеціалізована версія квантового комп’ютера. У ньому стронцієві атоми утримувалися й впорядковувалися за допомогою лазерного світла, утворюючи ланцюжок.
Потім інші лазери переводили атоми у високі енергетичні рівні, так звані рідбергівські стани. У цих станах взаємодія між атомами значно посилюється, і цілий ланцюжок починає поводитися як єдина колективна система.
Отримавши такий «єдиний» об’єкт, фізики налаштовували його в область поблизу квантової переломної точки. Коли система наближалася до критичного стану, атоми «струшували» — змінювали параметри лазерів на різних частотах. Саме так вдалося виявити окремі «сходинки» енергетичної драбини.
Перевірка передбачень для двох ключових точок
Отримані енергетичні спектри порівняли з теоретичними очікуваннями для двох важливих критичних точок: точки Ізинга та трикритичної точки. Саме ці режими команда прагнула дослідити.
За словами фізика Сянькая Суна (Xiangkai Sun) з Caltech, дослідники повторювали експеримент для ланцюжків аж до 35 атомів. Для точки Ізинга «сходинки» з’явилися саме такими, як передбачає відповідна конформна польова теорія: після масштабування за розміром спектри різних ланцюжків накладалися на одну універсальну криву.
Потім систему переналаштували до трикритичної точки та виміряли найнижчі енергетичні рівні її характерного спектра. Вони виявилися у тих самих співвідношеннях, які прогнозує теорія.
Що це дає фізиці та квантовим технологіям
Нові результати надають фізикам реальний об’єкт для подальших експериментів з конформними польовими теоріями та поведінкою матеріалів у квантових переломних точках за температур, близьких до абсолютного нуля.
Автори роботи вважають, що той самий підхід можна застосувати і до інших критичних режимів, зокрема там, де CFT дають менш точні передбачення або взагалі немає розрахунків. Фізик Мануель Ендрес (Manuel Endres) наголошує, що їхня техніка не потребує знати відповідь заздалегідь: у цьому випадку вимірювання можна було прямо порівняти з точними теоретичними числами, але надалі метод можна спрямувати на системи, для яких ніхто не має кількісного опису, включно з режимами, недосяжними для класичних комп’ютерів.
Окрім перевірки ідей Карді та конформних теорій, робота показує, що окремі компоненти квантових комп’ютерів уже сьогодні можуть бути потужним інструментом фундаментальних досліджень, навіть до появи повноцінних універсальних квантових машин.
У тій самій лабораторії раніше продемонстрували споріднену квантову платформу, здатну утримувати в масиві 6 100 атомів — значно більше, ніж максимум у 35 атомів, використаних у цьому експерименті. Надалі дослідники планують перейти від одного ланцюжка до вивчення двовимірних решіток атомів.
Як підсумовує Сянькай Сун, нові інструменти «запозичені» з платформ квантових обчислень. За останнє десятиліття вчені навчилися тонко керувати такими системами, і тепер вони стають засобом для перевірки найглибших фундаментальних ідей у фізиці. Для зацікавлених докладнішим поясненням команда також підготувала відеоматеріал, який можна переглянути на наукових каналах, зокрема на YouTube.