Caltech-ledda forskare bekräftar kvantteorins förutsägelser för första gången

Ett internationellt fysikerteam har för första gången använt en kvantsimulator för att direkt observera energispektrum som förutsagts av konform fältteori. Därmed bekräftas årtionden gamla teoretiska förutsägelser om hur kvantsystem beter sig vid kritiska punkter mellan ordning och oordning. Studien, som publicerades i Nature den 19 augusti, leddes av Manuel Endres och Jason Alicea vid Caltech i samarbete med forskare i Paris och München.techexplorist+1

Att mäta kvantstegen

Konforma fältteorier beskriver universella beteenden som uppstår när kvantsystem befinner sig på gränsen mellan ordnade och oordnade tillstånd. Även om dessa teorier är grundläggande inom modern fysik, och spänner över allt från högenergifysik till kondenserade materiens fysik, hade deras centrala förutsägelser aldrig tidigare verifierats direkt genom experiment.techexplorist

Forskarlaget arrangerade strontiumatomer i ordnade kedjor med hjälp av optiska pincetter och exciterade dem sedan till Rydberg-tillstånd där närliggande atomer växelverkar starkt. Genom att noggrant justera laserparametrarna pressade de atomkedjorna till kvantkritiska punkter och använde en nyutvecklad teknik kallad flerkroppsmoduleringsspektroskopi för att mäta energinivåerna. Metoden fungerar genom att skaka kedjan med laserpulser vid olika frekvenser och detektera resonanssvar, ungefär som när man drar ett fuktigt finger längs kanten på ett vinglas i rätt hastighet för att skapa en klar ton.techexplorist

– Vi upprepade experimentet på kedjor med upp till 35 atomer, och stegen såg ut precis som förutsagts av Isings konforma fältteori: spektren kollapsade till en enda universell kurva när de skalades om för storlek, säger Xiangkai Sun, en av huvudförfattarna.techexplorist

Dolda mönster och framtida riktningar

Eftersom varje enskild atom kan styras individuellt lyckades forskarna avslöja en andra, dold uppsättning energinivåer sorterade efter symmetri, något som är omöjligt att undersöka i vanliga material. De ställde även in systemet till den trikritiska Ising-punkten och mätte dess unika spektrum, och fann energiförhållanden som stämde överens med de teoretiska förutsägelserna.caltech+1

– Det är en sak att tro på de här teorierna, men en helt annan att faktiskt kunna peta på dem i labbet, säger Alicea. – Att se förutsägelserna väckas till liv är vackert.techexplorist

Stärkt förtroende för kvantsimulering

Resultatet presenteras samtidigt som ett annat framsteg inom tillförlitligheten för kvantsimuleringar. Forskare vid Münchens tekniska universitet och universitetet i Innsbruck, under ledning av Tristan Kraft och Peter Zoller, har i Physical Review X publicerat en metod för att fastställa kvantitativa felmarginaler för resultat från kvantsimulatorer. Tekniken, som demonstrerades på ett jonfällesystem med upp till 51 joner, lär sig simulatorns faktiska beteende från experimentella data och beräknar hur osäkerheter påverkar resultatet.eurekalert+1

– Kvantsimulatorn ger därmed inte bara ett enskilt värde, utan ett resultat med felmarginaler som kvantifierar dess noggrannhet, säger Kraft.eurekalert

Caltech-teamet planerar nu att utöka sitt arbete från endimensionella kedjor till tvådimensionella nätverk. – I två dimensioner är konforma fältteorier betydligt mindre förstådda, så det här är en spännande möjlighet, konstaterar Sun.techexplorist