物理学者たちは、数十年前の理論の予測を検証するために、最先端の量子技術リソースを活用しました。この研究は、相転移における材料の挙動を説明する理論に焦点を当てています。
物質がある段階から別の段階に移るとき、異なる特性を持つ物質が予期せず同一の数学的パターンを示すことがあります。水の沸騰や磁石の磁力の喪失などの現象は、これらの相転移を示しています。
「顕微鏡レベルの複雑な詳細は消失し、いくつかの基本的な痕跡だけが残ります」とウィリアム K. デイビス教授で理論物理学を教えるジェイソン・アリスシアは説明します。彼は、物理学における複雑なシステムの理解を単純化するために重要なこの普遍的な挙動は、主に共形場の理論と呼ばれる数学的定式化によって説明されると指摘しています。
『ネイチャー』誌に掲載された研究では、カリフォルニア工科大学物理学教授マヌエル・エンドレス氏の実験チームとアリシア氏の理論グループが、パリ・サクレー大学およびミュンヘン工科大学の研究者と共同研究した。彼らは、量子コンピュータの開発に関連する特定の演算のための特定のプラットフォームである量子シミュレータを使用して、共形場の理論の 2 つの異なる変形を実験的に調査しました。
これらのシミュレータ用に開発された技術を使用して、研究者らは、イジング共形場理論およびイジング三臨界場の理論によって予測されるように、人工量子材料のエネルギー準位を前例のない直接的な方法で測定することができました。イジングという用語は、1920 年代に磁気の最初のモデルの 1 つを解明した物理学者エルンスト・イジングを指します。 2 つの理論的アプローチは、もつれや重ね合わせなどの特性を持つ量子システムが 2 つの状態の間で臨界段階に達し、そのうちの 1 つがより組織化されたときに生じる普遍的な現象を説明します。
水の蒸発などの一般的な状態変化とは異なり、この変化は量子現象によってもっぱら発生し、温度には依存せず、絶対零度に近い状態で発生します。臨界点では、レーザー光線がシステムを刺激して、ステップに似た一連の特定のエネルギーを発生させることができます。 「理論によって投影されるこれらのエネルギーレベルは、教義自体についての詳細な情報が含まれているため、非常に重要です」とアリシアは言いました。
量子技術は長年保持されてきた理論的予測をテストする
約 40 年にわたり、物理科学者は共形場の理論を使用して、これらのエネルギー レベルの境界を定める正確な比率を予測してきました。しかし、本研究まで、これらのエネルギー距離は実験によって検証されたことがなかった。
「私たちの新しいツールは、量子コンピューティングプラットフォームからインスピレーションを得たものです」と、この研究の共同主著者であり、エンドレス研究室の大学院生でもあるXiangkai Sun氏は語った。 「過去 10 年間にわたって、私たちはこれらのシステムを制御する方法を学び、現在ではそれらを物理学の基礎研究に応用できるようになりました。」
研究チームは、エンドレス氏の研究室でも量子コンピュータに応用されている技術、つまり光ピンセットとして知られるレーザー光線で固定された中性原子の配置を使って量子システムを組み立てた。最近、実験室にある同様のシステムが、単一の層で 6,100 個の原子を捕捉することに成功しました。光ピンセットは主に量子コンピューティングのために開発されましたが、科学者たちは物理学における本質的な疑問を探るためのこの研究で光ピンセットを使用しました。
原子の連鎖から予想されるスペクトルが現れる
実験プロセスは、光ピンセットを使用してストロンチウム原子を一列に配置することから始まりました。相補的なレーザーは原子を高エネルギーのリュードベリ状態に誘導し、近くの原子間の相互作用を強化しました。これらの相互作用により、孤立した粒子とは対照的に、チェーン全体が統一された動作をするようになりました。次に科学者たちは、システムが理論で予測される臨界レベルに達するまでレーザーを校正しました。
エネルギーレベルを測定するために、研究者たちは多体変調分光法と呼ばれるアプローチを開発しました。彼らは原子鎖を繊細に刺激し、特定の周波数でレーザーを変化させ、原子の反応の強さを記録しました。周波数を調べて応答ピークを検出することで、エネルギー スケールを再構築することができました。この概念は、濡れた指をワイングラスの縁に沿って滑らせるのと似ています。容器は正確な周波数で激しく振動しますが、周波数が正しくない場合はほとんど反応しません。
「最大 35 個の原子を含む鎖で実験を再現したところ、イジングの共形場の理論によって予想されたとおりの段階が現れました。サイズを調整した後、スペクトルは特異な普遍曲線に収束しました」とサン氏は述べた。 「その後、我々は三臨界点を校正し、その特定のスペクトルの下位レベルを測定しました。それは、理論によって規定されたさまざまな比率で現れました。」
対称性によって新しいエネルギーパターンの発見が可能になる
各原子を個別に制御することで、研究者は一般的な物質では不可能な測定を実行できるようになりました。対称性に基づいて励起を順序付けることにより、最初の測定では特定されていなかったエネルギーレベルの 2 番目のカテゴリーが明らかになりました。鎖の末端の原子を変更するとエネルギースケールも変化し、その結果、三臨界イジング理論で予想される配置とは異なる配置が得られました。
