Et skridt tættere på at forstå kvantemekanik:Fysikere udvikler en ny kvantesimuleringsprotokol

For de fleste hverdagsoplevelser, såsom at cykle, ved hjælp af en lift eller fange en bold, klassisk (Newtonian) mekanik er helt præcis.

Imidlertid, på atomare og subatomære skalaer Naturen beskrives ved kvantemekanik, formuleret for omkring 100 år siden og berømt kendetegnet ved teoretisk fysiker Richard Feynman, da han sagde:"Jeg tror, ​​jeg roligt kan sige, at ingen forstår kvantemekanik".

Selv i dag er forståelsen af ​​dynamikken i kvantemekaniske systemer sammensat af et stort antal interagerende partikler stadig et af de vanskeligste problemer inden for fysik.

For at løse denne udfordring, et tværfagligt forskningssamarbejde mellem kvanteinformationsteoretikere fra Swansea Universitets fysikafdeling har udviklet en ny kvantesimuleringsprotokol.

I deres teoristudie, udgivet i Fysisk gennemgang X , højenergifysikeren professor Gert Aarts sammen med Dr Markus Müller og Alejandro Bermudez foreslår at bruge kolde atomer som kontrollerbare kvantesensorer til eksperimentelt at få adgang til centrale egenskaber ved interaktive kvantefeltteorier. Resultaterne kunne belyse vanskeligt, åbne spørgsmål i kondenseret stof og højenergifysik.

Kvantefeltteori giver et samlende sprog, der beskriver en lang række systemer i naturen på tværs af mange energiskalaer, lige fra ultrakolde atomer i laboratoriet til de mest energiske partikler ved Large Hadron Collider.

Alejandro Bermudez sagde:"En hjørnesten i kvantefeltteorien er den såkaldte genererende funktionelle, hvorfra alle korrelationer mellem partikler kan udledes. "Professor Aarts tilføjede:" Normalt betragtes dette som et matematisk værktøj, der pænt komprimerer alle relevante oplysninger om kvantefeltteorien til en enkelt, lidt abstrakt, antal."

I dette arbejde, teamet viser, hvordan den genererende funktion faktisk kan måles i laboratoriet, ved hjælp af strenge af fangede laserkølede ioner.

Nøgletanken med den nye ordning er at kortlægge informationen om den genererende funktion til en samling af sammenfiltrede kvantesensorer, kodet i ionernes elektroniske tilstande.

"Disse kvantesensorer kobles derefter af en sekvens af præcist timede pulser til kvantefeltet, stort set som tasterne på et klaver, som skal trykkes på forskellige tidspunkter for at producere en melodi ", forklarer Müller. "Denne melodi - svarende til det eksperimentelle interferometriske målesignal - indeholder den relevante information om kvantefeltteorien af ​​interesse."

Resultaterne udgør et vigtigt skridt i det bredere emne kvantesimuleringer, som har til formål at forstå problemer inden for kvantemangfoldsfysik ved hjælp af eksperimentelle systemer, der kan manipuleres nøjagtigt for at repræsentere kvantefeltteorien under undersøgelse.

Kvantesensorer til generering af funktion af interaktive kvantefeltteorier. A. Bermudez, G. Aarts, og M. Müller udgives i Fysisk gennemgang X .