فیزیکدانان کلتک سرانجام نردبان انرژی کوانتومی را که 40 سال پیش پیش‌بینی شده بود، اندازه‌گیری کردند

جیسون آلیسا، استاد فیزیک نظری ویلیام سی دیویس، توضیح می‌دهد: «فیزیک‌دانان این ویژگی را جهان‌شمولی می‌نامند—جزئیات به هم ریخته و میکروسکوپی از بین می‌روند و تنها چند ویژگی اساسی باقی می‌مانند».

فیزیکدانان اغلب این رفتار جهانی را با استفاده از یک چارچوب ریاضی معروف به نظریه میدان همسو توصیف می کنند.

شبیه سازهای کوانتومی فیزیک بنیادی را آزمایش می کنند

در مطالعه ای که در طبیعتمحققان اولین آزمایش‌ها را روی دو نظریه میدان هم‌شکل مختلف با استفاده از شبیه‌سازهای کوانتومی انجام دادند. این سیستم های تخصصی ساده تر از کامپیوترهای کوانتومی همه منظوره هستند و برای بازتولید رفتار کوانتومی خاص طراحی شده اند.

این همکاری گروه آزمایشی مانوئل اندرس از Caltech، استاد فیزیک، گروه نظری آلیسیا، و نظریه پردازانی از دانشگاه پاریس-ساکلی و دانشگاه فنی مونیخ را گرد هم آورد.

محققان با استفاده از فناوری شبیه‌ساز کوانتومی جدید توسعه‌یافته، اولین اندازه‌گیری مستقیم سطوح انرژی در ماده کوانتومی مصنوعی را که توسط نظریه Ising و نظریه میدان هم‌شکل سه‌گانه ایزینگ پیش‌بینی شده بود، انجام دادند. (آیزینگ به ارنست آیزینگ، فیزیکدانی اشاره دارد که در دهه 1920 مدل اولیه مغناطیس را حل کرد.)

هر دو نظریه رفتار جهانی را توصیف می‌کنند که می‌تواند زمانی رخ دهد که یک سیستم کوانتومی با ویژگی‌های غیرعادی مانند درهم‌تنیدگی و برهم‌نهی به نقطه بحرانی بین دو حالت برسد، یک حالت از حالت دیگر مرتب‌تر است.

نقطه اوج کوانتومی نزدیک به صفر مطلق

بر خلاف یک انتقال ساده فاز، مانند آب تبدیل به بخار، این انتقال توسط دما ایجاد نمی شود. در عوض، به طور کامل از اثرات کوانتومی در دمای نزدیک به صفر مطلق ناشی می شود.

در این نقطه بحرانی، لیزرها می توانند سیستم را به دنباله ای از حالت های انرژی خاص برانگیزند. محققان این سطوح را با پله های یک نردبان مقایسه کردند.

آلیسا می‌گوید: «سطوح انرژی پیش‌بینی‌شده توسط این نظریه‌ها مهم هستند، زیرا اطلاعات عمیقی درباره خود نظریه‌ها رمزگذاری می‌کنند».

برای حدود 40 سال، فیزیکدانان از تئوری های میدان همسان برای محاسبه فاصله این مراحل انرژی استفاده کرده اند. انتظار می رود سطوح در نسبت های دقیق رخ دهند، اما تا قبل از این آزمایش، این پیش بینی ها هرگز به طور مستقیم اندازه گیری نشده بودند.

Xiangkai Sun، یکی از نویسندگان اصلی مطالعه جدید و یک دانشجوی فارغ التحصیل که در آزمایشگاه Endres کار می کند، می گوید: “ابزارهای جدید ما از پلتفرم های محاسباتی کوانتومی وام گرفته می شوند.” در 10 سال گذشته، مردم یاد گرفته‌اند که این سیستم‌ها را کنترل کنند و اکنون در نقطه‌ای هستیم که می‌توانیم از آنها برای انجام تحقیقات بنیادی فیزیک استفاده کنیم.»

به دام انداختن اتم ها با لیزر

این آزمایش مبتنی بر فناوری است که آزمایشگاه Endres از آن برای توسعه رایانه‌های کوانتومی نیز استفاده می‌کند. این سیستم به آرایه‌هایی از اتم‌های خنثی متکی است که توسط لیزرهای بسیار متمرکز معروف به موچین‌های نوری در جای خود قرار دارند.

یک پلتفرم اتم خنثی جفت شده در آزمایشگاه اخیراً به نقطه عطف مهمی رسیده است و 6100 اتم را در یک آرایه جمع آوری می کند.

اگرچه آرایه‌های موچین نوری عمدتاً برای محاسبات کوانتومی توسعه یافته‌اند، محققان در عوض از این فناوری برای بررسی یک سؤال اساسی در فیزیک استفاده کرده‌اند.

آنها اتم های استرانسیم را با استفاده از موچین های نوری ردیف کردند. سپس لیزرهای اضافی اتم ها را به سطوح انرژی بسیار برانگیخته موسوم به حالت های ریدبرگ هل دادند. در این حالت ها، اتم های همسایه به شدت برهم کنش می کنند.

این فعل و انفعالات باعث شد که زنجیره اتم ها به جای ذرات منفرد، به طور جمعی رفتار کنند. سپس محققان لیزرها را تا زمانی تنظیم کردند که کل سیستم به نقطه اوج بحرانی که می‌خواستند مطالعه کنند برسد.

اندازه گیری نردبان انرژی پنهان

برای تشخیص سطوح انرژی پیش‌بینی‌شده، محققان تکنیکی به نام طیف‌سنجی مدولاسیون بدنه‌ای توسعه دادند.

آنها با تغییر لیزرها به فرکانس خاصی کل زنجیره اتمی را با دقت مختل کردند و سپس شدت واکنش اتم ها را اندازه گرفتند. با اسکن بسیاری از فرکانس ها و جستجوی پیک ها در پاسخ، محققان می توانند سطوح مختلف انرژی را شناسایی کنند.

ایده اصلی شبیه به کشیدن انگشت خیس دور لبه لیوان شراب است. هنگامی که حرکت با فرکانس طبیعی شیشه مطابقت دارد، شیشه طنین انداز می شود و صدا تولید می کند. در فرکانس های دیگر، اتفاق کمی می افتد.

سان می‌گوید: «ما آزمایش را روی زنجیره‌هایی با حداکثر 35 اتم تکرار کردیم و مراحل طبق نظریه میدان هم‌شکل آیزینگ پیش‌بینی شد: طیف‌ها پس از اندازه‌گیری مجدد برای اندازه، در یک منحنی جهانی فرو ریختند. سپس به نقطه سه‌گانه‌ای رسیدیم و پایین‌ترین سطوح طیف مختلف آن را که در پیش‌بینی‌های مختلف نظریه نسبت به دست آمد، اندازه‌گیری کردیم.

الگوهای پنهان از اتم های منفرد ظاهر می شوند

از آنجایی که دانشمندان می‌توانستند هر اتم را به صورت جداگانه کنترل کنند، قادر به انجام اندازه‌گیری‌هایی بودند که با مواد معمولی بسیار دشوارتر بود.

این تیم برانگیختگی ها را بر اساس تقارن آنها طبقه بندی کردند و مجموعه دومی از مراحل انرژی را که در اندازه گیری اولیه پنهان شده بودند، آشکار کردند.

آنها همچنین رفتار اتم ها را در هر دو انتهای زنجیره تغییر دادند. این نردبان انرژی را دوباره مرتب کرد و الگوهای مختلفی تولید کرد که با پیش‌بینی‌های نظریه سه‌گانه ایزینگ مطابقت داشت.

آلیسا می‌گوید: «اگرچه ما معتقد بودیم این تئوری‌ها درست هستند، اما اجرای آزمایشی مهم بود، چیزی که بتوان به آن اشاره کرد و به آن اشاره کرد.» “تأیید این پیش بینی ها چیز زیبایی است.”

هل دادن شبیه سازی های کوانتومی به قلمرو جدید

اکنون محققان قصد دارند این آزمایش ها را به سیستم های کوانتومی بزرگتر گسترش دهند. به جای مرتب کردن اتم ها در یک خط، آنها امیدوارند که شبکه های اتم ها را نیز مطالعه کنند.

سان می‌گوید: «در دو بعد، نظریه‌های میدان هم‌شکل به خوبی درک نشده‌اند، بنابراین این یک احتمال هیجان‌انگیز است.

این می تواند به دانشمندان اجازه دهد تا سیستم های کوانتومی را مطالعه کنند که رفتار آنها هنوز به طور دقیق قابل محاسبه نیست، که احتمالاً مشکلاتی را برای رایانه های کلاسیک بسیار دشوار است.

اندرس می گوید: “آنچه مرا هیجان زده می کند این است که این تکنیک نیازی به دانستن پاسخ از قبل ندارد. در اینجا می توانیم اندازه گیری های خود را در برابر پیش بینی های دقیق بررسی کنیم.” “گام بعدی این است که این را به سیستم هایی هدایت کنید که هیچ کس پاسخ سیستم را از نظر کمی نمی داند – از جمله رژیم هایی که رایانه های کلاسیک نمی توانند به آنها دسترسی پیدا کنند.”

را طبیعت مطالعه “مشاهده طیف های تئوری میدان همسو در یک شبیه ساز کوانتومی” توسط وزارت انرژی ایالات متحده، از جمله شتاب دهنده سیستم های کوانتومی و مرکز علوم کوانتومی آن، تامین شده است. بنیاد ملی علوم، از جمله موسسه کلتک برای اطلاعات و ماده کوانتومی (IQIM). دفتر تحقیقات ارتش؛ آژانس پروژه های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی؛ دفتر تحقیقات نیروی هوایی؛ بنیاد گوردون و بتی مور؛ و Deutsche Forschungsgemeinschaft.

سایر نویسندگان Caltech عبارتند از Yuan Le، Steven Naus، Richard Bing-Shiun Tsai، و Louis Picard که اکنون در استارت آپ Oratomic وابسته به Caltech کار می کند. نویسندگان دیگر سارا مورسیانو از دانشگاه پاریس-ساکلی (که قبلاً دانشجوی فوق دکترا در Caltech بود) و مایکل نپ از دانشگاه فنی مونیخ و مرکز علوم و فناوری کوانتومی مونیخ هستند.