Физики впервые провели прямые измерения энергетических уровней синтетической квантовой материи, которые ранее предсказывали конформные теории поля Изинга и трикритической Изинга. Для исследования применили квантовые симуляторы — специальные системы, созданные с использованием технологий квантовых вычислений. Эксперимент позволил проверить теоретические расчеты, которыми ученые пользовались около 40 лет.
Конформные теории поля рассматривают общие закономерности, проявляющиеся при переходе вещества между разными состояниями. В критических точках системы с разным микроскопическим строением могут подчиняться единым математическим правилам. Итоги работы опубликованы в журнале Nature.
Для создания квантовой системы исследователи использовали атомы стронция, расположенные в цепочке. Частицы удерживали лазерными лучами, выполнявшими роль оптических пинцетов. Затем другие лазеры переводили атомы в высокоэнергетические ридберговские состояния.
В таком состоянии соседние атомы начинали активно взаимодействовать друг с другом. Ученые настраивали параметры системы до достижения критической точки, предусмотренной теоретическими моделями. Это дало возможность напрямую сопоставить наблюдаемые энергетические уровни с предсказаниями конформных теорий поля.
Исследователи определили энергетические уровни атомных цепочек с помощью спектроскопии модуляции многих тел. В ходе эксперимента они меняли настройки лазеров на заданных частотах и наблюдали за реакцией цепочки атомов. Зафиксированные пики отклика позволили восстановить последовательность уровней энергии, похожую на лестницу.
Эксперименты проводились на цепочках, состоящих максимум из 35 атомов. Соотношения между уровнями совпали с предсказаниями конформной теории поля Изинга. При переходе к трикритической точке ученые выявили иной спектр с ожидаемыми пропорциями, а управление отдельными атомами позволило обнаружить дополнительную группу энергетических уровней.
В дальнейшем авторы работы планируют изучать более крупные системы, перейдя от одномерных цепочек к атомным решеткам. Исследования в 2 измерениях могут помочь в изучении режимов, для которых пока отсутствуют точные количественные расчеты. Разработанную методику также предполагается использовать для задач, недоступных классическим компьютерам.