Kvantesimulatorer til gauge teorier

At simulere i et laboratorium, hvad der sker i partikelacceleratorer, har været et ambitiøst mål i studiet af de grundlæggende naturkræfter, som højenergifysikere har forfulgt i mange år. Nu, takket være forskning udført af grupperne af statistisk fysik fra SISSA—Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati og "Abdus Salam" International Center for Theoretical Physics (ICTP), det mål er tættere på at nå.

"Vi har beskæftiget os med en måle-teori, mere præcist Schwinger-modellen, som matematisk beskriver interaktionen mellem mikroskopisk ladede partikler, som elektroner og positroner, og et elektrisk felt i en rumlig dimension, " sagde Federica Surace, Ph.D. studerende ved SISSA og hovedforfatter af forskningen, for nylig offentliggjort den Fysisk gennemgang X . "Vi har vist, at denne teori kan simuleres i et eksperiment med ultrakolde atomer bedre end hvad regnemaskiner har gjort til dato. Dette eksperiment blev udført i prof. Lukins laboratorium på Harvard University."

Undersøgelse af naturens grundlæggende kræfter

Studiet, hvortil ph.d. studerende Paolo P. Mazza, Giuliano Giudici, Alessio Lerose, og deres vejledere Andrea Gambassi fra SISSA og Marcello Dalmonte fra ICTP bidrog også, viser, at eksperimentet udført i udlandet kan tolkes som en "kvantesimulator" af en måleteori, en vigtig forbindelse, fordi den bekræfter sidstnævntes potentiale til at undersøge de mysterier, der er forbundet med naturens grundlæggende kræfter.

"Teorierne, der beskriver de grundlæggende interaktioner, kendt som gauge teorier, står bag vores nuværende forståelse af universets fysik, og at forstå deres dynamik er et af de vigtigste ubesvarede spørgsmål i teoretisk fysik, " tilføjer Alessio Lerose, medforfatter til publikationen. "At udlede heraf stoffets adfærd under ekstreme forhold, som i højenergikollisioner mellem tunge atomkerner, inde i stjernerne og det oprindelige univers efter Big-Bang, er en meget kompleks udfordring, som har afprøvet de teoretiske og beregningsmetoder, der er tilgængelige for fysikere."

Gauge-teorierne tillader, for eksempel, at forstå, hvad der sker i eksperimenter som dem, der blev udført på CERN i Genève. "Disse fænomener er meget komplekse," tilføjer Federica Surace. "På grund af deres kvantenatur, det er meget svært at lave pålidelige forudsigelser, selv med de mest moderne og kraftfulde computere."

Kvantesimulatorer

En af de metoder, der er udtænkt til at udføre denne type undersøgelser, er netop kvantesimulatorer, består af komponenter, typisk atomer afkølet ved temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt, som styres af laser- og magnetfelter, hvis adfærd er styret af matematiske ligninger, der ligner dem i de systemer, som videnskabsmænd ønsker at studere, men som er meget nemmere at skabe.

"Disse værktøjer, " fortsætter Surace, "tillad at undersøge gauge-teorierne ved hjælp af eksperimentelt udstyr så stort som et rum i stedet for en accelerator, der er titusvis af kilometer lang. Forskningen på dette område er lige begyndt, og dette mål er stadig langt væk, og alligevel er de første resultater opmuntrende ".

Dette demonstreres af arbejdet fra fysikerne fra SISSA og ICTP, og det har allerede givet et vigtigt bevis på potentialet i kvantesimulatorer, der allerede er tilgængelige i laboratoriet, for at studere teorierne bag vores forståelse af universet.

"Vi har vist, at modellen implementeret af kvantesimulatoren skabt i Harvard er ingen ringere end en af ​​de enkleste gauge teorier, men som, i hvert fald, forudser meget ikke-trivielle fænomener, såsom vakuum henfald og indespærring af elementære partikler, " forklarer Alessio Lerose, understreger vigtigheden af ​​dette resultat for at skabe en simulator, der kan bruges til alle kvantesystemer. "På nuværende tidspunkt der er ingen "universal simulator", nemlig en kvanteenhed, som kan programmeres til at simulere et hvilket som helst andet kvantesystem, men at skabe en er et nøglemål for forskningen på dette område af fysik. Der findes nu kvantesimulatorer, som har et fremragende niveau af kontrol, der muliggør simulering af mindre komplekse systemer. I virkeligheden, vi ved nu, at det med en vis indsats også er muligt at simulere mere komplekse kvanteteorier, såsom Schwinger-modellen, som har været hovedpersonen i vores undersøgelse".