Физики Калтеха наконец измерили квантовую энергетическую лестницу, предсказанную 40 лет назад

Исследователи впервые экспериментально наблюдали картины энергии, предсказанные физиками около 40 лет назад. Расположив удерживаемые лазерами атомы в квантовом симуляторе, они воссоздали две разные квантовые точки перехода и увидели, что атомы переходят в точные соотношения энергий, предсказанные теорией. Результаты опубликованы в журнале Nature; метод может быть использован для изучения загадочных квантовых систем, для которых ответ заранее неизвестен.

Контекст связан с универсальностью: при крупных изменениях, таких как кипение воды или потеря магнетизма, разные системы могут подчиняться одним математическим правилам, а микроскопические детали сглаживаются. Для описания этого физики используют конформную теорию поля. В эксперименте с атомами стронция в оптических пинцетах цепочку возбуждали до ридберговских состояний, заставляя атомы взаимодействовать коллективно, и настраивали лазеры до критической точки вблизи абсолютного нуля, где переход вызван не температурой, а квантовыми эффектами. Методом модуляционной спектроскопии многих тел, аналогичной возбуждению бокала на резонансной частоте, измеряли отклик цепочек до 35 атомов; спектры для теории Изинга после масштабирования ложились на одну универсальную кривую, а на трикритической точке были получены низшие уровни в иных предсказанных соотношениях.

В дальнейшем исследователи планируют расширять эксперименты на более крупные квантовые системы, включая не только линии, но и решётки атомов. В двух измерениях конформные теории поля изучены хуже, что открывает возможность исследовать квантовые системы, поведение которых нельзя точно рассчитать, включая задачи, недоступные классическим компьютерам. По словам авторов, преимущество метода в том, что он не требует заранее знать ответ; следующий шаг — направить его на системы, где количественный отклик никому не известен.