Физики давно заметили, что при кардинальных изменениях материалов — будь то закипание воды или потеря магнитом своих свойств — совершенно разные системы могут подчиняться одним и тем же математическим законам. Это явление называют универсальностью: хаотичные микроскопические детали отходят на второй план, а остаются лишь несколько ключевых характеристик. Для описания такого поведения специалисты обычно применяют математический аппарат, известный как конформная теория поля.
В исследовании, опубликованном в журнале Nature, учёные впервые провели эксперименты подобного рода с двумя различными конформными теориями поля, используя квантовые симуляторы. Эти устройства проще универсальных квантовых компьютеров и созданы для воспроизведения конкретных квантовых эффектов. Над проектом работали экспериментальная группа Мануэля Эндреса из Калифорнийского технологического института, теоретическая группа Алисы и специалисты из Университета Париж-Сакле и Мюнхенского технического университета. С помощью новой технологии квантовых симуляторов исследователи впервые напрямую измерили уровни энергии в синтетической квантовой материи, предсказанные конформными теориями поля Изинга и трикритического Изинга.
В отличие от обычного фазового перехода, например превращения воды в пар, этот переход вызван не температурой, а исключительно квантовыми эффектами при температурах, близких к абсолютному нулю. В критической точке лазеры могут возбуждать систему, переводя её в последовательность определённых энергетических состояний, которые учёные сравнивают со ступенями лестницы. Как пояснил Джейсон Алиса, профессор теоретической физики, эти уровни энергии важны, поскольку содержат глубокую информацию о самих теориях. На протяжении примерно 40 лет физики использовали конформные теории поля для расчёта расстояний между этими «ступенями», ожидая, что уровни будут появляться в точных соотношениях, однако до этого эксперимента предсказания никогда не проверялись напрямую.
Эксперимент опирается на технологию, которую лаборатория Эндреса применяет и для разработки квантовых компьютеров. Система использует массивы нейтральных атомов, удерживаемых сфокусированными лазерами — так называемыми оптическими пинцетами. Исследователи выстроили атомы стронция в линию, а затем дополнительными лазерами перевели их в высоковозбуждённые состояния Ридберга, где соседние атомы сильно взаимодействуют друг с другом. Это заставило цепочку атомов вести себя коллективно, а не как отдельные частицы. Настроив лазеры, учёные добились достижения нужной критической точки. Для обнаружения предсказанных уровней энергии была разработана методика под названием «спектроскопия модуляции многих тел»: цепочку атомов слегка возбуждали, меняя лазеры на определённой частоте, и измеряли отклик системы. Сканируя множество частот и находя пики отклика, исследователи определяли различные энергетические уровни — по аналогии с тем, как влажный палец, скользящий по краю бокала, вызывает резонансный звук при совпадении с собственной частотой стекла.
Поскольку учёные могли управлять каждым атомом по отдельности, им удалось провести измерения, которые было бы гораздо сложнее выполнить с обычными материалами. Команда классифицировала возбуждения по их симметрии, выявив второй набор энергетических уровней, скрытый при первоначальном измерении. Изменяя поведение атомов на концах цепочки, исследователи перестраивали энергетическую лестницу и получали картины, соответствующие предсказаниям трикритической теории Изинга. Как отметил Алиса, хотя эти теории и считались верными, важно иметь экспериментальное подтверждение — то, что можно проверить и исследовать. В дальнейшем учёные планируют расширить эксперименты на более крупные квантовые системы, включая не только линии, но и решётки атомов. По словам Эндреса, особенно ценно то, что методика не требует заранее знать ответ, а следующий шаг — применить её к системам, поведение которых количественно неизвестно и недоступно для классических компьютеров.