Po 40 letech hledání: Kvantové simulátory odhalily univerzální vzorec v chování hmoty

Vědci z Kalifornského technologického institutu (Caltech) ve spolupráci s mezinárodním týmem poprvé experimentálně potvrdili existenci univerzálního vzorce v kvantové hmotě, který byl teoreticky předpovídán po čtyři desetiletí.

Vědci z Kalifornského technologického institutu (Caltech) ve spolupráci s mezinárodním týmem poprvé experimentálně potvrdili existenci univerzálního vzorce v kvantové hmotě, který byl teoreticky předpovídán po čtyři desetiletí. Tento průlomový objev, publikovaný v časopise Nature, přináší přímé měření energetických hladin v syntetické kvantové hmotě, které přesně odpovídají předpovědím konformních teorií pole.

Univerzalita je fascinující vlastnost, kdy se různé materiály při fázových přechodech – například když se voda vaří nebo magnet ztrácí svou přitažlivost – začnou chovat identicky a řídí se stejnými matematickými pravidly. Fyzici tuto vlastnost nazývají univerzalitou, kdy se složité mikroskopické detaily vytratí a přežijí jen několik základních rysů. Matematický základ těchto univerzálních vlastností je běžně popsán teoretickým rámcem zvaným konformní teorie pole.

Experimenty byly provedeny na kvantových simulátorech, což jsou zjednodušené verze kvantových počítačů určené pro specifické úkoly. Tým využil novou technologii, která umožňuje zachytávat atomy stroncia do řady pomocí optických pinzet a následně je excitovat lasery do vysokoenergetických Rydbergových stavů. Tím se řetězec atomů choval jako jediný celek. Následně vědci naladili lasery tak, aby systém dosáhl kritického bodu mezi dvěma stavy – jedním uspořádanějším a druhým méně.

Pro měření energetických hladin, které si lze představit jako příčky na žebříku, tým použil novou metodu zvanou mnohotělesná modulační spektroskopie. Jemným „třesením“ celého řetězce atomů modulací laserů na zvolené frekvenci a měřením jejich odezvy, dokázali vědci zmapovat tyto energetické „příčky“. Výsledky potvrdily předpovědi Isingových a tricritických Isingových konformních teorií pole, a to i pro řetězce až 35 atomů. Navíc se jim podařilo odhalit i další rodiny energetických hladin a měnit uspořádání žebříku úpravou atomů na koncích řetězce.

Tento úspěch je významným krokem v základním fyzikálním výzkumu, neboť poprvé poskytuje experimentální ověření teorií, které byly dosud pouze teoretické. Otevírá také nové možnosti pro studium méně prozkoumaných dvourozměrných konformních teorií pole, a to pomocí ještě větších kvantových systémů, kde budou atomy uspořádány do mřížky. Nová technika měření, která nevyžaduje předchozí znalost výsledků, umožní vědcům zkoumat systémy, jejichž chování nelze kvantitativně popsat klasickými počítači, což by mohlo vést k hlubšímu pochopení vesmíru a k budoucím technologickým inovacím.