Физики из Caltech впервые измерили квантовую «энергетическую лестницу», предсказанную 40 лет назад

Физики из Калифорнийского технологического института (Caltech) впервые экспериментально измерили энергетические уровни, предсказанные теорией конформных полей 40 лет назад. Исследование опубликовано в журнале Nature.

Когда материалы претерпевают серьёзные изменения — например, вода закипает или магнит теряет свои свойства, — совершенно разные системы могут начать вести себя по одним и тем же математическим правилам. Это явление физики называют универсальностью: хаотичные микроскопические детали стираются, и остаются лишь несколько ключевых характеристик. Для описания такого поведения используется математический аппарат, известный как теория конформных полей.

В ходе эксперимента исследователи впервые напрямую измерили уровни энергии в синтетической квантовой материи, предсказанные конформными теориями поля Изинга и трикритического Изинга. Обе теории описывают универсальное поведение, возникающее, когда квантовая система с запутанностью и суперпозицией достигает критической точки между двумя состояниями.

В отличие от обычного фазового перехода, например превращения воды в пар, этот переход не вызван температурой — он возникает исключительно из-за квантовых эффектов при температурах, близких к абсолютному нулю. В этой критической точке лазеры возбуждают систему в последовательность определённых энергетических состояний, которые исследователи сравнивают со ступенями лестницы.

«Энергетические уровни, предсказанные этими теориями, важны, потому что они содержат глубокую информацию о самих теориях», — объясняет Джейсон Алисеа, профессор теоретической физики.

Около 40 лет физики использовали конформные теории поля для расчёта расстояний между этими «ступенями». Уровни должны появляться в точных соотношениях, но до этого эксперимента предсказания никогда не измерялись напрямую.

Эксперимент основан на технологии, которую лаборатория Эндреса также использует для разработки квантовых компьютеров. Система relies на массивах нейтральных атомов, удерживаемых с помощью оптических пинцетов — сфокусированных лазеров. Исследователи выстроили атомы стронция в линию, а затем дополнительными лазерами перевели их в высоковозбуждённые состояния Ридберга, где соседние атомы сильно взаимодействуют. Это заставило цепочку атомов вести себя коллективно, а не как отдельные частицы.

Для обнаружения предсказанных уровней энергии была разработана методика многочастичной модуляционной спектроскопии. Исследователи слегка воздействовали на всю атомную цепочку, меняя лазеры на определённой частоте, и измеряли отклик атомов. Сканируя множество частот и ища пики отклика, учёные смогли идентифицировать различные энергетические уровни. Принцип похож на то, как влажный палец, проведённый по краю бокала, вызывает резонанс при совпадении с собственной частотой стекла.

«Мы повторили эксперимент на цепочках до 35 атомов, и ступени проявились, как и предсказывала конформная теория поля Изинга: спектры схлопнулись в единую универсальную кривую после масштабирования по размеру, — говорит Сянькай Сунь, соавтор исследования. — Затем мы настроились на трикритическую точку и измерили низшие уровни её спектра, которые проявились в других соотношениях, предсказанных теорией».

Поскольку учёные могли управлять каждым атомом отдельно, они смогли провести измерения, которые были бы гораздо сложнее на обычных материалах. Команда классифицировала возбуждения по их симметрии, обнаружив второй набор энергетических ступеней, скрытый в первоначальном измерении. Они также изменили поведение атомов на концах цепочки, что перестроило энергетическую лестницу и создало другие паттерны, совпавшие с предсказаниями трикритической теории Изинга.

«Хотя мы верили в справедливость этих теорий, важно иметь экспериментальное подтверждение — то, что можно потрогать и проверить, — говорит Алисеа. — Видеть, как эти предсказания подтверждаются, — прекрасно».

Теперь исследователи планируют расширить эксперименты на более крупные квантовые системы. Вместо расположения атомов только в линию они надеются изучать их решётки. «В двух измерениях конформные теории поля изучены не так хорошо, так что это захватывающая возможность», — говорит Сунь. Это может позволить учёным исследовать квантовые системы, поведение которых пока невозможно точно рассчитать, включая задачи, слишком сложные для классических компьютеров.

«Меня воодушевляет то, что методика не требует заранее знать ответ. Здесь мы могли сверить наши измерения с точными предсказаниями, — говорит Эндрес. — Следующий шаг — направить это на системы, где никто количественно не знает отклик системы, включая режимы, недоступные классическим компьютерам».

Источники:

Материалы предоставлены Caltech. Оригинал написан Уитни Клавин.

Xiangkai Sun, Yuan Le, Stephen Naus, Richard Bing-Shiun Tsai, Lewis R. B. Picard, Sara Murciano, Michael Knap, Jason Alicea, Manuel Endres. Observation of conformal field theory spectra in a quantum simulator. Nature, 2026; 657 (8130): 98 DOI: 10.1038/s41586-026-10904-x