Международная группа физиков впервые экспериментально подтвердила ключевые положения конформной теории поля – математического аппарата, который около 40 лет используют для описания универсального поведения материи в критических состояниях. Результаты, полученные с помощью квантового симулятора, опубликованы в журнале Nature.
Конформная теория поля описывает явление универсальности, при котором очень разные физические системы во время фазовых переходов начинают подчиняться одним и тем же математическим законам. Например, кипение воды и потеря магнитом своих свойств, несмотря на разную природу, могут описываться схожими уравнениями. Теория предсказывает, что вблизи критической точки, вызванной не температурой, а чисто квантовыми эффектами при сверхнизких температурах, система должна обладать определённым набором энергетических уровней. Соотношения между этими уровнями, похожими на ступени лестницы, должны быть строго определёнными, однако до сих пор напрямую измерить их не удавалось.
Для проверки этих предсказаний исследователи из Калифорнийского технологического института, Университета Париж-Сакле и Мюнхенского технического университета создали квантовый симулятор. В его основе – одномерная цепочка из атомов стронция, удерживаемых в вакууме с помощью лазерных лучей, так называемых оптических пинцетов. Дополнительные лазеры переводили атомы в высоковозбуждённые ридберговские состояния, в которых они начинают сильно взаимодействовать друг с другом, заставляя всю цепочку вести себя как единый квантовый объект.
Чтобы измерить энергетические уровни, учёные разработали новый метод – многочастичную модуляционную спектроскопию. Они воздействовали на систему лазером с изменяющейся частотой и фиксировали, при каких частотах отклик атомов был максимальным. Эти резонансные пики и соответствовали предсказанным энергетическим уровням. Эксперименты с цепочками длиной до 35 атомов показали, что измеренные спектры в точности совпали с расчётами для двух моделей конформной теории поля – модели Изинга и трикритической модели Изинга.
Успешный эксперимент не только подтверждает фундаментальную теорию, но и демонстрирует возможности квантовых симуляторов для решения задач, недоступных классическим компьютерам. В дальнейшем научная группа планирует усложнить систему, перейдя от одномерных цепочек к двумерным решёткам атомов. Это позволит исследовать более сложные квантовые состояния, для которых точных теоретических расчётов пока не существует.
