Классическая (ньютоновская) механика идеально подходит для большинства повседневных задач, таких как езда на велосипеде, подъемник или ловля мяча.Однако в атомных и субатомных масштабах Природа описывается квантовой механикой, сформулированной около 100 лет назад и получившей известную характеристику физика-теоретика Ричарда Фейнмана, когда он сказал: «Я думаю, я могу с уверенностью сказать, что никто не понимает квантовую механику».Даже сегодня понимание динамики квантово-механических систем, состоящих из большого числа взаимодействующих частиц, остается одной из самых сложных проблем в физике.
Чтобы решить эту проблему, междисциплинарное исследовательское сотрудничество теоретиков квантовой информации из физического факультета Университета Суонси разработало новый протокол квантового моделирования.В своем теоретическом исследовании, опубликованном в Physical Review X, физик высоких энергий профессор Герт Аартс вместе с доктором Маркусом Мюллером и Алехандро Бермудесом предлагают использовать холодные атомы в качестве управляемых квантовых датчиков для экспериментального доступа к ключевым свойствам взаимодействующих квантовых теорий поля.
Результаты могут прояснить сложные, открытые вопросы в конденсированной среде и физике высоких энергий.Квантовая теория поля представляет собой объединяющий язык, который описывает широкий спектр систем в природе во многих энергетических масштабах, от ультрахолодных атомов в лаборатории до самых энергичных частиц на Большом адронном коллайдере.Алехандро Бермудес сказал: «Краеугольным камнем квантовой теории поля является так называемый производящий функционал, из которого могут быть выведены все корреляции между частицами».
Профессор Аартс добавил: «Обычно это рассматривается как математический инструмент, который аккуратно сжимает всю важную информацию о квантовой теории поля в единую, несколько абстрактную величину».В этой работе команда показывает, как на самом деле генерирующий функционал можно измерить в лаборатории, используя цепочки захваченных ионов, охлаждаемых лазером.
Ключевая идея новой схемы — отобразить информацию о производящем функционале на совокупность запутанных квантовых датчиков, закодированных в электронных состояниях ионов.«Эти квантовые датчики затем соединяются последовательностью точно синхронизированных импульсов с квантовым полем, очень похоже на клавиши пианино, которые необходимо нажимать в разное время для воспроизведения мелодии», — объясняет Мюллер. «Эта мелодия, соответствующая экспериментальному интерферометрическому измерительному сигналу, содержит важную информацию об интересующей квантовой теории поля».
Полученные результаты представляют собой важный шаг в более широкой теме квантового моделирования, целью которого является понимание проблем квантовой физики многих тел с помощью экспериментальных систем, которыми можно точно манипулировать для представления исследуемой квантовой теории поля.