- 29,293
- 46
- 8 Ноя 2022
35 атомов стронция в лазерной ловушке воспроизвели теории, которые раньше проверяли только на бумаге.
<div class="articl-text-cover" style="position:relative;width:100%;max-width:800px;margin-left:auto;margin-right:auto;aspect-ratio:1200/676;margin-bottom:2rem;overflow:hidden">
<div itemprop="articleBody">При фазовом переходе совершенно разные вещества иногда начинают подчиняться одинаковым математическим законам. Вода, магнит или искусственная квантовая система устроены по-разному на уровне отдельных частиц, но рядом с критической точкой многие микроскопические различия перестают влиять на общую картину. Физики называют такое свойство универсальностью. Теперь универсальные законы удалось проверить напрямую на цепочке атомов: исследователи впервые измерили энергетические спектры двух конформных теорий поля, которые десятилетиями существовали главным образом в виде точных теоретических расчётов.
Конформная теория поля, или CFT, описывает системы возле критической точки фазового перехода. В критическом состоянии привычные микроскопические детали отходят на второй план, а важными остаются общие свойства: квантовая запутанность, корреляции между частицами, низкоэнергетические возбуждения и законы масштабирования. Поэтому разные физические системы могут относиться к одному классу универсальности и иметь одинаковые соотношения между энергетическими уровнями, несмотря на различия в составе и внутреннем устройстве.
Эксперимент проверял CFT Изинга и трикритическую CFT Изинга. Модель Изинга появилась в физике в 1920-х годах как математическое описание магнетизма, но со временем превратилась в один из основных инструментов для изучения фазовых переходов. Обе конформные теории описывают квантовые системы возле границы между двумя фазами. В одной фазе частицы расположены более упорядоченно, в другой порядок исчезает.
Квантовый фазовый переход отличается от кипения воды или плавления льда. Обычный фазовый переход запускают тепловые колебания, а квантовый возникает из-за квантовых флуктуаций при температурах, близких к абсолютному нулю. Состояние системы меняется после настройки параметров взаимодействия между частицами. В критической точке корреляции распространяются на большие расстояния, а свойства системы начинают следовать универсальным законам.
Физики уже около 40 лет умеют рассчитывать спектры конформных теорий поля. Теория предсказывает не произвольный набор энергетических уровней, а точные отношения между ними. Подобные отношения позволяют определить, какая CFT описывает критическую систему. Однако прямого экспериментального измерения соответствующей энергетической структуры до новой работы не было. Исследования твёрдых тел позволяли получать отдельные признаки критического поведения, но не давали полного контроля над многочастичной системой и её низкоэнергетическими возбуждениями.
Для эксперимента использовали программируемый квантовый симулятор на нейтральных атомах. Квантовый симулятор отличается от универсального квантового компьютера: установка воспроизводит конкретную физическую модель, параметры которой можно менять и измерять с высокой точностью. Платформа основана на технологиях нейтрально-атомных квантовых вычислений, где отдельные атомы удерживают и перемещают с помощью сфокусированных лазерных лучей.
Экспериментальная цепочка содержала до 35 атомов стронция-88. Каждый атом удерживал отдельный оптический пинцет . В качестве двух квантовых состояний использовали метастабильное состояние с низкой энергией и ридберговское состояние. Ридберговским называют сильно возбуждённое состояние атома, при котором электрон находится значительно дальше от ядра, чем обычно. Атомы в таком состоянии сильно взаимодействуют друг с другом, поэтому экспериментаторы могли заставить всю цепочку вести себя как связанную многочастичную систему.
Соседние атомы работали в режиме ридберговской блокады. Сильное взаимодействие практически запрещало двум соседям одновременно переходить в ридберговское состояние. Энергия взаимодействия между более удалёнными возбуждёнными атомами подчинялась ван-дер-ваальсовскому закону и быстро уменьшалась с расстоянием. Лазеры одновременно управляли переходами между двумя состояниями и позволяли менять расстройку частоты для всей цепочки или отдельных атомов.
С помощью настроек лазера экспериментаторы перемещали атомную цепочку между неупорядоченной фазой и упорядоченной фазой волны плотности с симметрией Z₂. Граница между фазами содержит линию непрерывных квантовых переходов, которую описывает CFT Изинга. При определённых параметрах линия заканчивается трикритической точкой. Возле неё критическое поведение уже описывает трикритическая CFT Изинга, а после прохождения трикритической области характер фазового перехода меняется.
Для доступа к обычной критической точке Изинга достаточно естественных отталкивающих взаимодействий между ридберговскими атомами. Трикритическая точка требует эффективного притяжения между следующими друг за другом через один атом частицами. Физики получили нужный режим с помощью инвертированного протокола подготовки: вместо основного состояния цепочки система двигалась к наиболее высокоэнергетическому состоянию в режиме ридберговской блокады. Такая настройка позволила изучать обе CFT на одной экспериментальной платформе.
Главной технической задачей оставалось измерение энергетических уровней. Для работы разработали многочастичную модуляционную спектроскопию. Сначала атомы подготавливали в исходном состоянии и постепенно переводили систему к квантовой критической точке. После подготовки лазерное поле начинали периодически модулировать с выбранной частотой. Если частота соответствовала разности энергий между основным и возбуждённым многочастичным состоянием, атомная цепочка резонансно поглощала энергию и переходила на более высокий уровень.
Далее параметры системы снова плавно меняли, переводя цепочку в упорядоченную или неупорядоченную фазу, где населённости состояний было легче различить при измерении. Экспериментаторы повторяли процедуру для большого набора частот. Пики отклика показывали частоты переходов, а значит, разности между энергетическими уровнями. В результате набор многочастичных возбуждений можно было восстановить экспериментально, не рассчитывая каждый уровень заранее.
Особенно подробные измерения провели на цепочке из 19 атомов возле критической точки Изинга. Глобальная модуляция лазерного поля открыла четыре основных спектральных пика. Их энергии соответствовали первым четырём возбуждениям с чётной симметрией относительно отражения цепочки. CFT Изинга для открытых границ предсказывает универсальное отношение энергий 2:4:6:8. Измеренные пики легли на ту же последовательность.
Одного совпадения для цепочки фиксированной длины было недостаточно. Физики повторили измерения для систем от семи до 35 атомов. При увеличении длины цепочки абсолютные расстояния между энергетическими уровнями уменьшались. Теория предсказывает обратную зависимость характерной энергии от размера системы. После соответствующего пересчёта спектры цепочек разной длины совместились с универсальными значениями CFT Изинга.
Контроль каждого атома позволил найти возбуждения, которые глобальная модуляция не видела из-за симметрии. Возмущение всей цепочки одинаковым сигналом преимущественно связывает основное состояние с возбуждениями чётной пространственной симметрии. Для доступа к нечётным состояниям экспериментаторы использовали локальную модуляцию с противоположным воздействием на симметричные участки цепочки. В спектре появились дополнительные уровни с отношениями энергий 3:5:7. Вместе с чётным сектором измерения воспроизвели низкоэнергетическую последовательность 2:3:4:5:6:7:8, ожидаемую для CFT Изинга.
После проверки обычной критической точки установку перевели в трикритический режим. Трикритическая CFT Изинга имеет другую структуру спектра, поэтому соотношения нижних энергетических уровней должны отличаться. Измерения действительно дали отдельный набор резонансов с отношениями, соответствующими теоретическим предсказаниям для трикритической точки. Один массив атомов воспроизводил две разные конформные теории поля после изменения параметров взаимодействия.
Отдельный эксперимент проверил влияние границ цепочки. В конформной теории поля граничные условия определяют, какие возбуждения разрешены и как организован низкоэнергетический спектр. В реальном кристалле целенаправленно менять свойства нескольких крайних частиц трудно, а массив оптических пинцетов даёт независимый доступ к каждому атому. Физики меняли расстройку лазера только на концах цепочки и наблюдали перестройку спектра.
Для трикритической системы разные настройки крайних атомов дали спектральные картины, согласующиеся с тремя различными фиксированными граничными условиями, предсказанными CFT. Исследователи фактически меняли математические граничные условия модели за счёт локального управления двумя концами физической цепочки.
У длинных цепочек возникает другая проблема. Число многочастичных состояний быстро растёт, соседние уровни сближаются, а отдельные спектральные пики начинают перекрываться. Для таких систем разработали второй вариант модуляционной спектроскопии, который измеряет динамический структурный фактор. Физическая величина показывает, как система реагирует на возмущения с заданной частотой и пространственной структурой, и связана с корреляциями между частицами.
В критическом режиме Изинга измерение динамического структурного фактора позволило исследовать универсальную масштабную функцию, связанную с корреляционной функцией поля в CFT Изинга. Подход полезен для систем, где отдельные энергетические уровни уже невозможно надёжно разделить из-за высокой плотности возбуждений.
Измерение известных спектров служило проверкой метода: для CFT Изинга и трикритической CFT Изинга точные теоретические ответы уже существовали. Однако модуляционная спектроскопия не требует заранее задавать ожидаемые энергии. По расположению спектральных линий, зависимости от размера системы, симметрии возбуждений и реакции на изменение границ физики смогут искать классы универсальности в системах, где точного аналитического решения нет. Авторы прямо рассматривают метод как инструмент для исследования квантовых фазовых переходов с заранее неизвестными критическими свойствами.
Следующий этап связан с более крупными квантовыми симуляторами и двумерными массивами атомов. Одномерная квантовая цепочка соответствует конформной теории поля в пространстве-времени размерности 1+1, где многие модели хорошо изучены аналитически. При переходе к двумерным квантовым системам задача заметно усложняется, а точных решений гораздо меньше. Программируемые атомные массивы позволят проводить спектроскопию непосредственно в режимах, где классическим компьютерам трудно рассчитывать многочастичную квантовую динамику.
<div class="articl-text-cover" style="position:relative;width:100%;max-width:800px;margin-left:auto;margin-right:auto;aspect-ratio:1200/676;margin-bottom:2rem;overflow:hidden">
<div itemprop="articleBody">При фазовом переходе совершенно разные вещества иногда начинают подчиняться одинаковым математическим законам. Вода, магнит или искусственная квантовая система устроены по-разному на уровне отдельных частиц, но рядом с критической точкой многие микроскопические различия перестают влиять на общую картину. Физики называют такое свойство универсальностью. Теперь универсальные законы удалось проверить напрямую на цепочке атомов: исследователи впервые измерили энергетические спектры двух конформных теорий поля, которые десятилетиями существовали главным образом в виде точных теоретических расчётов.
Конформная теория поля, или CFT, описывает системы возле критической точки фазового перехода. В критическом состоянии привычные микроскопические детали отходят на второй план, а важными остаются общие свойства: квантовая запутанность, корреляции между частицами, низкоэнергетические возбуждения и законы масштабирования. Поэтому разные физические системы могут относиться к одному классу универсальности и иметь одинаковые соотношения между энергетическими уровнями, несмотря на различия в составе и внутреннем устройстве.
Эксперимент проверял CFT Изинга и трикритическую CFT Изинга. Модель Изинга появилась в физике в 1920-х годах как математическое описание магнетизма, но со временем превратилась в один из основных инструментов для изучения фазовых переходов. Обе конформные теории описывают квантовые системы возле границы между двумя фазами. В одной фазе частицы расположены более упорядоченно, в другой порядок исчезает.
Квантовый фазовый переход отличается от кипения воды или плавления льда. Обычный фазовый переход запускают тепловые колебания, а квантовый возникает из-за квантовых флуктуаций при температурах, близких к абсолютному нулю. Состояние системы меняется после настройки параметров взаимодействия между частицами. В критической точке корреляции распространяются на большие расстояния, а свойства системы начинают следовать универсальным законам.
Физики уже около 40 лет умеют рассчитывать спектры конформных теорий поля. Теория предсказывает не произвольный набор энергетических уровней, а точные отношения между ними. Подобные отношения позволяют определить, какая CFT описывает критическую систему. Однако прямого экспериментального измерения соответствующей энергетической структуры до новой работы не было. Исследования твёрдых тел позволяли получать отдельные признаки критического поведения, но не давали полного контроля над многочастичной системой и её низкоэнергетическими возбуждениями.
Для эксперимента использовали программируемый квантовый симулятор на нейтральных атомах. Квантовый симулятор отличается от универсального квантового компьютера: установка воспроизводит конкретную физическую модель, параметры которой можно менять и измерять с высокой точностью. Платформа основана на технологиях нейтрально-атомных квантовых вычислений, где отдельные атомы удерживают и перемещают с помощью сфокусированных лазерных лучей.
Экспериментальная цепочка содержала до 35 атомов стронция-88. Каждый атом удерживал отдельный оптический пинцет . В качестве двух квантовых состояний использовали метастабильное состояние с низкой энергией и ридберговское состояние. Ридберговским называют сильно возбуждённое состояние атома, при котором электрон находится значительно дальше от ядра, чем обычно. Атомы в таком состоянии сильно взаимодействуют друг с другом, поэтому экспериментаторы могли заставить всю цепочку вести себя как связанную многочастичную систему.
Соседние атомы работали в режиме ридберговской блокады. Сильное взаимодействие практически запрещало двум соседям одновременно переходить в ридберговское состояние. Энергия взаимодействия между более удалёнными возбуждёнными атомами подчинялась ван-дер-ваальсовскому закону и быстро уменьшалась с расстоянием. Лазеры одновременно управляли переходами между двумя состояниями и позволяли менять расстройку частоты для всей цепочки или отдельных атомов.
С помощью настроек лазера экспериментаторы перемещали атомную цепочку между неупорядоченной фазой и упорядоченной фазой волны плотности с симметрией Z₂. Граница между фазами содержит линию непрерывных квантовых переходов, которую описывает CFT Изинга. При определённых параметрах линия заканчивается трикритической точкой. Возле неё критическое поведение уже описывает трикритическая CFT Изинга, а после прохождения трикритической области характер фазового перехода меняется.
Для доступа к обычной критической точке Изинга достаточно естественных отталкивающих взаимодействий между ридберговскими атомами. Трикритическая точка требует эффективного притяжения между следующими друг за другом через один атом частицами. Физики получили нужный режим с помощью инвертированного протокола подготовки: вместо основного состояния цепочки система двигалась к наиболее высокоэнергетическому состоянию в режиме ридберговской блокады. Такая настройка позволила изучать обе CFT на одной экспериментальной платформе.
Главной технической задачей оставалось измерение энергетических уровней. Для работы разработали многочастичную модуляционную спектроскопию. Сначала атомы подготавливали в исходном состоянии и постепенно переводили систему к квантовой критической точке. После подготовки лазерное поле начинали периодически модулировать с выбранной частотой. Если частота соответствовала разности энергий между основным и возбуждённым многочастичным состоянием, атомная цепочка резонансно поглощала энергию и переходила на более высокий уровень.
Далее параметры системы снова плавно меняли, переводя цепочку в упорядоченную или неупорядоченную фазу, где населённости состояний было легче различить при измерении. Экспериментаторы повторяли процедуру для большого набора частот. Пики отклика показывали частоты переходов, а значит, разности между энергетическими уровнями. В результате набор многочастичных возбуждений можно было восстановить экспериментально, не рассчитывая каждый уровень заранее.
Особенно подробные измерения провели на цепочке из 19 атомов возле критической точки Изинга. Глобальная модуляция лазерного поля открыла четыре основных спектральных пика. Их энергии соответствовали первым четырём возбуждениям с чётной симметрией относительно отражения цепочки. CFT Изинга для открытых границ предсказывает универсальное отношение энергий 2:4:6:8. Измеренные пики легли на ту же последовательность.
Одного совпадения для цепочки фиксированной длины было недостаточно. Физики повторили измерения для систем от семи до 35 атомов. При увеличении длины цепочки абсолютные расстояния между энергетическими уровнями уменьшались. Теория предсказывает обратную зависимость характерной энергии от размера системы. После соответствующего пересчёта спектры цепочек разной длины совместились с универсальными значениями CFT Изинга.
Контроль каждого атома позволил найти возбуждения, которые глобальная модуляция не видела из-за симметрии. Возмущение всей цепочки одинаковым сигналом преимущественно связывает основное состояние с возбуждениями чётной пространственной симметрии. Для доступа к нечётным состояниям экспериментаторы использовали локальную модуляцию с противоположным воздействием на симметричные участки цепочки. В спектре появились дополнительные уровни с отношениями энергий 3:5:7. Вместе с чётным сектором измерения воспроизвели низкоэнергетическую последовательность 2:3:4:5:6:7:8, ожидаемую для CFT Изинга.
После проверки обычной критической точки установку перевели в трикритический режим. Трикритическая CFT Изинга имеет другую структуру спектра, поэтому соотношения нижних энергетических уровней должны отличаться. Измерения действительно дали отдельный набор резонансов с отношениями, соответствующими теоретическим предсказаниям для трикритической точки. Один массив атомов воспроизводил две разные конформные теории поля после изменения параметров взаимодействия.
Отдельный эксперимент проверил влияние границ цепочки. В конформной теории поля граничные условия определяют, какие возбуждения разрешены и как организован низкоэнергетический спектр. В реальном кристалле целенаправленно менять свойства нескольких крайних частиц трудно, а массив оптических пинцетов даёт независимый доступ к каждому атому. Физики меняли расстройку лазера только на концах цепочки и наблюдали перестройку спектра.
Для трикритической системы разные настройки крайних атомов дали спектральные картины, согласующиеся с тремя различными фиксированными граничными условиями, предсказанными CFT. Исследователи фактически меняли математические граничные условия модели за счёт локального управления двумя концами физической цепочки.
У длинных цепочек возникает другая проблема. Число многочастичных состояний быстро растёт, соседние уровни сближаются, а отдельные спектральные пики начинают перекрываться. Для таких систем разработали второй вариант модуляционной спектроскопии, который измеряет динамический структурный фактор. Физическая величина показывает, как система реагирует на возмущения с заданной частотой и пространственной структурой, и связана с корреляциями между частицами.
В критическом режиме Изинга измерение динамического структурного фактора позволило исследовать универсальную масштабную функцию, связанную с корреляционной функцией поля в CFT Изинга. Подход полезен для систем, где отдельные энергетические уровни уже невозможно надёжно разделить из-за высокой плотности возбуждений.
Измерение известных спектров служило проверкой метода: для CFT Изинга и трикритической CFT Изинга точные теоретические ответы уже существовали. Однако модуляционная спектроскопия не требует заранее задавать ожидаемые энергии. По расположению спектральных линий, зависимости от размера системы, симметрии возбуждений и реакции на изменение границ физики смогут искать классы универсальности в системах, где точного аналитического решения нет. Авторы прямо рассматривают метод как инструмент для исследования квантовых фазовых переходов с заранее неизвестными критическими свойствами.
Следующий этап связан с более крупными квантовыми симуляторами и двумерными массивами атомов. Одномерная квантовая цепочка соответствует конформной теории поля в пространстве-времени размерности 1+1, где многие модели хорошо изучены аналитически. При переходе к двумерным квантовым системам задача заметно усложняется, а точных решений гораздо меньше. Программируемые атомные массивы позволят проводить спектроскопию непосредственно в режимах, где классическим компьютерам трудно рассчитывать многочастичную квантовую динамику.
- Источник новости
- www.securitylab.ru
