Caltech-ledet team bekrefter kvanteteoretiske forutsigelser for første gang

Et internasjonalt team av fysikere har for første gang brukt en kvantesimulator til å direkte observere energispektre forutsagt av konform feltteori. Dette bekrefter flere tiår gamle teoretiske forutsigelser om hvordan kvantesystemer oppfører seg ved kritiske punkter mellom orden og uorden. Funnene, som ble publisert i Nature 19. august, ble ledet av Manuel Endres og Jason Alicea fra Caltech i samarbeid med forskere i Paris og München.techexplorist+1

Måling av kvantestigen

Konforme feltteorier beskriver universell adferd som oppstår når kvantesystemer befinner seg på grensen mellom ordnede og uordnede tilstander. Selv om disse teoriene er grunnleggende i moderne fysikk, og spenner over alt fra høyenergi-partikkelfysikk til kondensert fase-fysikk, hadde de sentrale forutsigelsene aldri blitt direkte bekreftet eksperimentelt.techexplorist

Teamet plasserte strontiumatomer i ordnede kjeder ved hjelp av optiske pinsetter, og eksiterte dem deretter til Rydberg-tilstander der naboforbindelser vekselvirker sterkt. Ved å finjustere laserparametere presset de atomkjedene til kvantekritiske punkter, og brukte en nyutviklet teknikk kalt mange-legeme-modulasjonsspektroskopi til å måle energinivåene. Metoden fungerer ved å riste kjeden med laserpulser ved ulike frekvenser og registrere resonansresponser, omtrent som å gni fingeren rundt kanten av et vinglass i akkurat riktig hastighet for å skape en ren tone.techexplorist

«Vi gjentok eksperimentet på kjeder med opptil 35 atomer, og trinnene stemte overens med det som var forutsagt av Isings konforme feltteori: spektrene kollapset til én enkelt universell kurve når de ble skalert for størrelse», sier Xiangkai Sun, en av hovedforfatterne bak studien.techexplorist

Skjulte mønstre og veien videre

Fordi hvert enkelt atom kan styres individuelt, avdekket forskerne et annet, skjult sett med energinivåer sortert etter symmetri, noe som er umulig å undersøke i vanlige materialer. De innstilte også systemet til det trikritiske Ising-punktet og målte dets unike spektrum, og fant energiforhold som stemte overens med de teoretiske forutsigelsene.caltech+1

«Det er én ting å tro på disse teoriene, men noe helt annet å faktisk pirke og dytte borti dem i laboratoriet», sier Alicea. «Å se forutsigelsene våkne til liv er vakkert».techexplorist

Styrker tilliten til kvantesimulering

Resultatet kommer samtidig med et annet fremskritt innen påliteligheten til kvantesimulering. Forskere ved Det tekniske universitetet i München og Universitetet i Innsbruck, ledet av Tristan Kraft og Peter Zoller, publiserte en metode i Physical Review X for å etablere kvantitative feilmarginer for resultater fra kvantesimulatorer. Teknikken, som ble demonstrert på et ionefellesystem med opptil 51 ioner, lærer seg simulatorens faktiske oppførsel fra eksperimentelle data og beregner hvordan usikkerhet påvirker resultatene.eurekalert+1

«Kvantesimulatoren gir dermed ikke bare en enkelt verdi, men et resultat med feilmarginer som tallfester nøyaktigheten», sier Kraft.eurekalert

Caltech-teamet planlegger å utvide arbeidet programmert fra endimensjonale kjeder til todimensjonale rutenett. «I to dimensjoner er konforme feltteorier langt mindre forstått, så dette er en spennende mulighet», bemerker Sun.techexplorist