Ученые давно обнаружили, что совершенно различные физические системы иногда начинают демонстрировать схожее поведение при определенных условиях. Когда вода начинает закипать или магнит теряет свои свойства, детали происходящего на микроскопическом уровне становятся второстепенными — остаются лишь основные закономерности. Физики называют это явление универсальностью.
Для описания такого поведения ученые применяют особый вид квантовой теории — так называемую конформную теорию поля. На протяжении сорока лет эта теория использовалась для расчетов, но прямые экспериментальные проверки до сих пор не проводились.
В рамках нового исследования специалисты Калифорнийского технологического института и их коллеги из нескольких европейских университетов провели первые в своем роде эксперименты, используя квантовые симуляторы — специализированные системы, которые проще, чем универсальные квантовые компьютеры, но прекрасно подходят для воспроизведения определенных квантовых явлений.
Физики впервые в прямом измерении определили энергетические уровни в синтетическом квантовом веществе, предсказанные двумя различными конформными теориями поля. Речь идет об особых переходах, происходящих в квантовых системах при температурах, близких к абсолютному нулю. В отличие от обычных фазовых переходов, таких как кипение воды, эти переходы обусловлены исключительно квантовыми эффектами.
Переход в таких системах не возникает из-за нагрева, а исключительно благодаря квантовым эффектам — запутанности и суперпозиции. В критической точке система особенно чувствительна и подчиняется строгим математическим закономерностям. В частности, энергия возможных возбуждений должна располагаться в виде ступеней лестницы с четко определенными отношениями между «перекладинами».
В эксперименте использовались атомы стронция, которые удерживались на месте с помощью лазерных «пинцетов» — сфокусированных лазерных лучей. Физики выстраивали их в линию и переводили в так называемые ридберговские состояния, где соседние атомы начинают активно взаимодействовать и функционировать как единое целое. Затем ученые «настраивали» систему лазерами, приближая её к необходимой квантовой критической точке, и с помощью разработанной ими методики многотельной модуляционной спектроскопии измеряли отклик цепочки при различных частотах. В местах, где отклик увеличивался, находились искомые энергетические уровни — те самые «ступени» квантовой лестницы.
Эксперименты с цепочками до 35 атомов показали, что уровни группируются именно в тех соотношениях, которые предсказывает конформная теория поля для модели Изинга: после соответствующей перенормировки спектры для систем разного размера накладывались друг на друга. Затем физики перенастроили систему на трикритическую точку и обнаружили уже другую «лестницу» уровней — точно такую же, как предсказала теория.