Quando ocorrem grandes mudanças nos materiais, como a fervura da água ou a perda de magnetismo de um íman, por vezes sistemas muito diferentes podem começar a comportar-se de acordo com as mesmas regras matemáticas.
Física Teórica William K. “Os físicos chamam esse recurso de universalidade – os detalhes sujos e sutis são eliminados e apenas alguns recursos essenciais permanecem”, explica Jason Alicia, professor de Davis.
Os físicos frequentemente descrevem esse comportamento universal usando uma estrutura matemática conhecida como teoria de campo conforme.
Simuladores quânticos testam física fundamental
Num estudo publicado em NaturezaOs pesquisadores conduziram o primeiro experimento desse tipo em duas teorias de campo conformes diferentes usando simuladores quânticos. Esses sistemas especializados são mais simples que os computadores quânticos de uso geral e são projetados para reproduzir comportamentos quânticos específicos.
A colaboração reuniu Manuel Andres, do Caltech, professor de física, o grupo teórico de Alicia e o grupo experimental de teóricos da Université Paris-Saclay e da Universidade Técnica de Munique.
Usando a tecnologia de simulador quântico recém-desenvolvida, os pesquisadores fizeram a primeira medição direta dos níveis de energia na matéria quântica sintética prevista pelas teorias de campo conformal de Ising e tricrítico. (Ising refere-se a Ernst Ising, um físico que resolveu um modelo inicial de magnetismo na década de 1920.)
Ambas as teorias descrevem o comportamento universal que pode surgir quando um sistema quântico com propriedades incomuns, como emaranhamento e superposição, atinge um ponto crítico entre dois estados, no qual um estado é mais ordenado que o outro.
Um ponto de inflexão quântico próximo do zero absoluto
Ao contrário das transições de fase normais, como a vaporização da água, esta transição não é causada pela temperatura. Em vez disso, surge inteiramente de efeitos quânticos em temperaturas próximas do zero absoluto.
Neste ponto crítico, os lasers podem excitar o sistema em uma sequência de estados de energia específicos. Os pesquisadores comparam esses níveis aos degraus de uma escada.
“Os níveis de energia previstos por estas teorias são importantes porque codificam informações profundas sobre as próprias teorias”, diz Alicia.
Por quase 40 anos, os físicos usaram teorias de campos conformes para calcular a distância entre esses entalhes de energia. Espera-se que os níveis apareçam em proporções precisas, mas até esta experiência, essas previsões nunca tinham sido medidas diretamente.
“Nossas novas ferramentas são inspiradas em plataformas de computação quântica”, diz Jiangkai Sun, co-autor principal do novo estudo e estudante de pós-graduação que trabalha no laboratório Endres. “Nos últimos 10 anos, as pessoas têm aprendido a controlar estes sistemas, e agora estamos no ponto em que podemos usá-los para fazer pesquisas fundamentais em física.”
capturando átomos com lasers
O experimento é baseado em tecnologia que o laboratório Andres também utiliza para desenvolver computadores quânticos. Este sistema depende de matrizes de átomos neutros mantidos no lugar por lasers bem focados, conhecidos como pinças ópticas.
Uma plataforma de átomos neutros relacionada no laboratório atingiu recentemente um marco importante ao capturar 6.100 átomos em uma única matriz.
Embora as matrizes de pinças ópticas tenham sido desenvolvidas em grande parte para a computação quântica, os pesquisadores usaram a tecnologia para investigar uma questão fundamental da física.
Ele organizou os átomos de estrôncio em uma linha usando uma pinça óptica. Lasers adicionais empurraram os átomos para níveis de energia altamente excitados, chamados estados de Rydberg. Nestes estados, os átomos vizinhos interagem fortemente.
Essas interações fizeram com que a cadeia de átomos se comportasse coletivamente, e não como partículas individuais separadas. Os pesquisadores ajustaram os lasers até que todo o sistema atingisse o ponto crítico que queriam estudar.
Medindo uma escada de energia oculta
Para detectar os níveis de energia previstos, os pesquisadores desenvolveram uma técnica chamada espectroscopia de modulação corporal.
Eles perturbaram suavemente toda a cadeia atômica ligando os lasers em uma frequência específica e depois mediram a intensidade com que os átomos reagiram. Ao examinar múltiplas frequências e procurar picos na resposta, os pesquisadores podem identificar diferentes níveis de energia.
A ideia básica é semelhante a passar um dedo molhado pela borda de uma taça de vinho. Quando o movimento corresponde à frequência natural do vidro, o vidro ressoa e produz som. Em outras frequências, acontece muito pouco.
“Repetimos a experiência em cadeias de 35 átomos, e os entalhes surgiram conforme previsto pela teoria do campo conformal de Ising: os espectros colapsaram numa única curva universal quando redimensionados para o tamanho,” diz Sun. “Observámos então o ponto tricrítico e medimos os níveis mais baixos do seu espectro característico, que acabaram por ser as previsões da teoria da razão diferencial.”
Padrões ocultos emergem de átomos individuais
Como os cientistas podiam controlar cada átomo separadamente, conseguiram fazer medições que seriam muito mais difíceis com materiais tradicionais.
A equipe classificou os estímulos com base na sua simetria, revelando um segundo conjunto de níveis de energia que estavam ocultos nas medições iniciais.
Eles também mudaram o comportamento dos átomos em cada extremidade da cadeia. Isso reorganizou a escada energética, produzindo diferentes padrões que correspondiam às previsões da teoria tricrítica de Ising.
“Mesmo que acreditássemos que essas teorias eram verdadeiras, era importante ter um sentimento experimental, algo que pudesse explorar e testar”, diz Alicia. “É uma coisa linda ver essas previsões se tornando realidade.”
Empurrando a simulação quântica para um novo território
Os pesquisadores agora planejam estender os experimentos a sistemas quânticos maiores. Em vez de apenas organizar os átomos em linha, eles esperam estudar também grades de átomos.
“Em duas dimensões, as teorias de campos conformes não são bem compreendidas, então esta é uma oportunidade interessante”, diz Sun.
Isto poderia permitir aos cientistas investigar sistemas quânticos cujo comportamento ainda não pode ser calculado com precisão, incluindo potencialmente problemas demasiado difíceis para os computadores clássicos.
“O que me entusiasma é que esta técnica não exige saber a resposta antecipadamente. Aqui podemos comparar as nossas medições com previsões precisas”, diz Andres. “O próximo passo é apontar para sistemas onde ninguém conhece quantitativamente a resposta do sistema – incluindo regimes que os computadores clássicos não conseguem alcançar.”
Natureza O estudo, “Observação de espectros de teoria de campos conformes em um simulador quântico”, foi financiado pelo Departamento de Energia dos EUA, incluindo seu acelerador de sistemas quânticos e seu centro de ciência quântica; a National Science Foundation, que também inclui o Instituto de Informação e Materiais Quânticos (IQIM) da Caltech; Gabinete de Pesquisa do Exército; Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa; Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea; Fundação Gordon e Betty Moore; e Deutsche Forschungsgemeinschaft.
Outros autores do Caltech incluem Yuan Le, Stephen Naus, Richard Bing-Shiun Tsai e Lewis Picard, que agora trabalha na Oratomic, uma startup afiliada ao Caltech. Autores adicionais são Sarah Marciano da Université Paris-Saclay (anteriormente pós-doutoranda na Caltech) e Michael Knapp da Universidade Técnica de Munique e do Centro de Ciência e Tecnologia Quântica de Munique.
