Ученые давно знают, что совершенно разные физические системы иногда начинают вести себя одинаково при определенных условиях. Когда вода кипит или магнит теряет свои свойства, детали того, что происходит на микроскопическом уровне, становятся неважными — остаются только самые существенные закономерности. Физики называют это универсальностью.
Чтобы описать такое поведение, ученые используют особый вид квантовой теории — так называемую конформную теорию поля. На протяжении сорока лет ученые применяли эту теорию для расчетов, но прямых экспериментальных проверок до сих пор удавалось избежать.
В своем новом исследовании специалисты Калифорнийского технологического института и их коллеги из ряда европейских университетов провели первые в своем роде эксперименты, используя квантовые симуляторы — специализированные системы, более простые, чем универсальные квантовые компьютеры, но идеально подходящие для воспроизведения конкретных квантовых явлений.
Физики впервые прямо измерили энергетические уровни в синтетическом квантовом веществе, предсказанные двумя различными конформными теориями поля. Речь идет об особых переходах, которые происходят в квантовых системах при температурах, близких к абсолютному нулю. В отличие от обычных фазовых переходов, например кипения воды, эти переходы вызваны исключительно квантовыми эффектами.
Переход в таких системах возникает не из-за нагрева, а исключительно за счет квантовых эффектов — запутанности и суперпозиции. В точке критического состояния система особенно чувствительна и подчиняется жестким математическим соотношениям. В частности, энергия возможных возбуждений должна располагаться как ступени лестницы с четко заданными отношениями между «перекладинами».
В эксперименте использовались атомы стронция, которые удерживались на месте при помощи лазерных «пинцетов» — сфокусированных лазерных лучей. Физики выстраивали в линию и переводили в так называемые ридберговские состояния, где соседние атомы начинают активно взаимодействовать и вести себя как единое целое. Затем ученые «настраивали» систему лазерами, подводя ее к нужной квантовой критической точке, и с помощью разработанной ими методики многотельной модуляционной спектроскопии измеряли отклик цепочки при разных частотах. Там, где отклик возрастал, находились искомые энергетические уровни — те самые «ступени» квантовой лестницы.
Эксперименты на цепочках до 35 атомов показали, что уровни группируются именно в тех соотношениях, которые предсказывает конформная теория поля для модели Изинга: после соответствующей перенормировки спектры для систем разного размера накладывались друг на друга. Затем физики перенастроили систему на трикритическую точку и обнаружили уже другую «лестницу» уровней — точно такую же, как предсказывала теория.
Особенность платформы в том, что каждый атом в цепочке можно контролировать по отдельности. Это позволило заглянуть еще глубже: ученые классифицировали возбуждения по симметриям и выявили «скрытые» энергетические уровни, не видимые в первом приближении. Дополнительно изменяя условия на концах цепочки, они добились перестройки спектра, снова получив картины, совпадающие с предсказаниями трикритической модели Изинга.
Теперь ученые планируют расширить эксперименты на двумерные системы атомов, где конформные теории поля изучены хуже. Это откроет возможности для анализа квантовых систем, поведение которых еще не удалось точно рассчитать даже классическим компьютерам.
