Un equipo liderado por Caltech confirma por primera vez predicciones de la teoría cuántica

Un equipo internacional de físicos ha utilizado un simulador cuántico para observar directamente y por primera vez los espectros de energía predichos por la teoría de campos conformes, confirmando predicciones teóricas de hace décadas sobre cómo se comportan los sistemas cuánticos en los puntos críticos entre el orden y el desorden. Los hallazgos, publicados en Nature el 19 de agosto, fueron liderados por Manuel Endres y Jason Alicea de Caltech, en colaboración con investigadores de París y Múnich.techexplorist+1

Medir la escalera cuántica

Las teorías de campos conformes describen comportamientos universales que surgen cuando los sistemas cuánticos se sitúan en el límite entre estados ordenados y desordenados. Aunque estas teorías son fundamentales en la física moderna, abarcando desde la física de partículas de alta energía hasta la materia condensada, sus predicciones principales nunca se habían verificado directamente de forma experimental.techexplorist

El equipo organizó átomos de estroncio en cadenas ordenadas utilizando pinzas ópticas y luego los excitó a estados de Rydberg, donde los átomos vecinos interactúan fuertemente. Al ajustar cuidadosamente los parámetros del láser, llevaron las cadenas atómicas a puntos críticos cuánticos y utilizaron una técnica recién inventada llamada espectroscopia de modulación de muchos cuerpos para medir los niveles de energía. El método funciona agitando la cadena con pulsos de láser a diferentes frecuencias y detectando respuestas resonantes, de forma muy parecida a frotar el borde de una copa de vino a la velocidad adecuada para producir un tono claro.techexplorist

"Repetimos el experimento en cadenas de hasta 35 átomos, y los peldaños resultaron tal como predecía la teoría de campos conformes de Ising: los espectros se colapsaron en una única curva universal una vez reescalados por tamaño", afirmó Xiangkai Sun, coautor principal.techexplorist

Patrones ocultos y direcciones futuras

Dado que cada átomo se puede controlar individualmente, los investigadores descubrieron un segundo conjunto oculto de niveles de energía clasificados por simetría, algo imposible de investigar en materiales ordinarios. También se sintonizaron con el punto triclítico de Ising y midieron su espectro distintivo, encontrando relaciones de energía que coincidían con las predicciones teóricas.caltech+1

"Una cosa es creer en estas teorías, pero otra muy distinta es ponerlas a prueba en el laboratorio", señaló Alicea. "Ver cómo las predicciones cobran vida es hermoso".techexplorist

Reforzar la confianza en la simulación cuántica

El resultado llega junto con otro avance en la fiabilidad de la simulación cuántica. Investigadores de la Universidad Técnica de Múnich y de la Universidad de Innsbruck, liderados por Tristan Kraft y Peter Zoller, publicaron un método en Physical Review X para producir límites de error cuantitativos en los resultados de los simuladores cuánticos. Demostrada en un sistema de trampa de iones con hasta 51 iones, la técnica aprende el comportamiento real de un simulador a partir de datos experimentales y calcula cómo afectan las incertidumbres a los resultados.eurekalert+1

"De este modo, el simulador cuántico no solo proporciona un valor único, sino un resultado con márgenes de error que cuantifican su precisión", explicó Kraft.eurekalert

El equipo de Caltech planea ampliar su trabajo de cadenas unidimensionales a rejillas bidimensionales. "En dos dimensiones, las teorías de campos conformes se comprenden mucho menos, por lo que esta es una oportunidad emocionante", apuntó Sun.techexplorist