Физики впервые экспериментально обнаружили особую последовательность энергетических уровней, существование которой было предсказано ещё в 1984 году. Международная команда под руководством исследователей из Калифорнийского технологического института сумела наблюдать так называемую «энергетическую лестницу» в квантовой системе, подтвердив предсказания теорий, которые почти 40 лет оставались без прямой экспериментальной проверки.
Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature, имеют большое значение для понимания того, как различные материалы ведут себя в критических состояниях — в моменты, когда их свойства начинают резко меняться.
В физике существует явление, называемое универсальностью. Оно заключается в том, что совершенно разные вещества и системы при приближении к определённым критическим точкам могут демонстрировать удивительно похожее поведение.
Примерами таких переходов служат кипение воды и потеря магнитом своих магнитных свойств. Несмотря на различия между этими процессами, математические закономерности, описывающие поведение систем вблизи критических точек, могут оказаться общими.
Для изучения подобных явлений физики используют конформные теории поля — математические модели, позволяющие описывать универсальные свойства систем в критических состояниях.
В 1984 году физик Джон Карди, опираясь на математический аппарат этих теорий, предсказал, что системы в критических точках должны поглощать энергию не произвольным образом, а в соответствии с определёнными закономерностями.
Предсказанные энергетические уровни можно представить в виде ступеней лестницы. Каждая ступень соответствует определённому энергетическому состоянию, а соотношения между ними задаются математической теорией.
Хотя эти расчёты давно считались убедительными, непосредственно наблюдать такую последовательность энергетических уровней экспериментаторам до сих пор не удавалось.
Теперь исследователи смогли воспроизвести необходимые условия в специально созданном квантовом симуляторе.
По словам физика-теоретика Джейсона Алисеа из Калифорнийского технологического института, предсказанные энергетические уровни особенно важны, поскольку содержат глубокую информацию о самих теориях, описывающих критические состояния.
Он отметил, что даже если учёные уверены в справедливости математических предсказаний, принципиально важно получить физическую систему, которую можно исследовать экспериментально и проверить на соответствие теории.
Для этого команда использовала квантовый симулятор, работающий по принципам упрощённого специализированного квантового компьютера.
Основой установки стали атомы стронция, которые исследователи удерживали и располагали в определённом порядке с помощью лазерного света.
Затем на атомы воздействовали другими лазерами, переводя их в особые высокоэнергетические состояния, известные как ридберговские.
В таких состояниях взаимодействие между атомами значительно усиливается. Благодаря этому исследователям удалось добиться того, чтобы цепочка атомов вела себя как единая квантовая система, а не как набор независимых частиц.
После этого параметры установки постепенно изменяли, приближая систему к критической точке — состоянию, в котором её поведение подчиняется предсказанным универсальным закономерностям.
Когда необходимые условия были достигнуты, учёные начали воздействовать на атомы, изменяя частоту лазерного излучения. Такое периодическое возбуждение позволило определить, на каких частотах система поглощает энергию, и тем самым выявить характерные энергетические уровни.
Именно так исследователи впервые увидели ступени энергетической лестницы, существование которой предсказывалось на протяжении четырёх десятилетий.
Особенно важно, что измеренные уровни соответствовали теоретическим расчётам сразу для двух разных критических состояний: критической точки Изинга и трикритической точки.
Эти состояния имеют различные энергетические спектры, поэтому их проверка позволила исследователям убедиться, что наблюдаемая закономерность не ограничивается одним конкретным случаем.
Как рассказал физик Сянкай Сун из Калифорнийского технологического института, команда многократно повторила эксперимент с цепочками, состоящими максимум из 35 атомов.
Вблизи критической точки Изинга результаты совпали с предсказаниями соответствующей конформной теории поля. После пересчёта с учётом размера системы энергетические спектры различных цепочек совпадали с одной универсальной кривой.
Это стало особенно убедительным подтверждением того, что исследователи наблюдали именно универсальные закономерности, а не особенности конкретного количества атомов.
Затем учёные изменили параметры квантового симулятора, переведя его в область трикритической точки.
В этом случае они измерили несколько самых низких энергетических уровней и обнаружили, что соотношения между ними снова соответствуют теории. При этом сами соотношения отличались от тех, которые наблюдались в критической точке Изинга, как и предсказывали математические расчёты.
Таким образом, эксперимент подтвердил два разных набора теоретических предсказаний, которые ранее не удавалось проверить подобным способом.
Однако значение работы не ограничивается подтверждением расчётов Джона Карди.
Созданная исследователями методика позволяет непосредственно изучать квантовые системы вблизи критических точек, включая состояния при температурах, близких к абсолютному нулю.
В таких условиях поведение материалов определяется квантовыми эффектами, а математическое описание происходящих процессов может становиться чрезвычайно сложным.
Квантовый симулятор предоставляет возможность воспроизводить подобные системы в контролируемых условиях, изменять их параметры и непосредственно измерять возникающие энергетические состояния.
По мнению исследователей, особенно перспективным является то, что разработанный метод не требует заранее знать правильный ответ.
В нынешнем эксперименте учёные могли сравнить результаты измерений с точными теоретическими предсказаниями. Однако в дальнейшем ту же технологию можно использовать для изучения систем, поведение которых пока невозможно рассчитать с достаточной точностью.
Как объяснил руководитель исследования Мануэль Эндрес, следующим шагом станет применение методики к квантовым системам, для которых количественные предсказания ещё неизвестны.
Особый интерес представляют состояния, моделирование которых выходит за пределы возможностей классических компьютеров.
В таких случаях квантовый симулятор сможет не просто проверять существующие теории, но и предоставлять новые экспериментальные данные о процессах, которые пока остаются недостаточно изученными.
Работа также демонстрирует, что технологии, разрабатываемые для квантовых компьютеров, уже сейчас могут использоваться в фундаментальных физических исследованиях.
Для нынешнего эксперимента учёным потребовались цепочки длиной не более 35 атомов. При этом другая квантовая платформа в той же лаборатории недавно позволила удерживать в массиве сразу 6100 атомов.
Это показывает, насколько далеко продвинулись технологии управления отдельными атомами и насколько более сложные системы потенциально можно будет исследовать в дальнейшем.
Одним из возможных направлений станет переход от одномерных цепочек к двумерным решёткам атомов. Такие структуры позволят изучать более сложные квантовые взаимодействия и критические состояния.
По словам Сянкая Суна, инструменты, использованные в исследовании, во многом заимствованы из разработок в области квантовых вычислений.
Последние десять лет физики совершенствовали способы управления подобными системами, а теперь достигли уровня, на котором эти технологии позволяют решать фундаментальные научные задачи.
В результате эксперимент не только подтвердил предсказание 1984 года, но и показал новый способ исследования квантового мира. Теперь энергетические закономерности, которые прежде существовали лишь в математических моделях, можно воспроизводить и измерять непосредственно в лаборатории.
И если раньше квантовые симуляторы помогали главным образом проверять уже известные теоретические результаты, то в будущем они могут стать инструментом для изучения состояний материи, свойства которых ещё предстоит открыть.
