Спектроскопия p-волновых взаимодействий спин-поляризованных фермионов.
Кредит: Природа (2023). DOI: 10.1038/s41586-022-05405-6

«Предположим, вы знаете все, что нужно знать о молекуле воды — химическую формулу, валентный угол и т. д.», — говорит Джозеф Тивиссен, профессор кафедры физики и член Центра квантовой информации и квантового управления в Университет Торонто. «Вы можете знать все о молекуле, но все еще не знать, что в океане есть волны, не говоря уже о том, как плыть по ним», — говорит он. «Это потому, что когда вы собираете вместе кучу молекул, они ведут себя так, как вы, вероятно, не можете себе представить».

Тивиссен описывает концепцию в физике, известную как эмерджентность: взаимосвязь между поведением и характеристиками отдельных частиц и большого количества этих частиц. Он и его сотрудники сделали первый шаг в понимании этого перехода от «одной ко многим» частицам, изучив не одну и не множество, а две изолированные взаимодействующие частицы, в данном случае атомы калия.

Результат, описанный в статье, опубликованной сегодня в журнале Nature, является первым небольшим шагом к пониманию естественных квантовых систем и того, как они могут привести к более мощным и эффективным квантовым симуляциям.

Совместная группа физиков-экспериментаторов из Университета Торонто и физиков- теоретиков из Университета Колорадо измерила силу типа взаимодействия, известного как «p-взаимодействие», между двумя атомами калия и обнаружила, что результат подтверждает давнее предсказание.

Аспирант-физик Фрэнк Корапи в лаборатории ультрахолодных атомов Университета Торонто.
Предоставлено: Джо-Энн Макартур.

Взаимодействия P-волн слабы в естественных системах, но исследователи предсказали, что они имеют гораздо более высокий максимальный теоретический предел. Команда первой подтвердила, что сила p-волн между частицами достигла этого максимума.

«В нашей лаборатории мы смогли изолировать два атома за раз», — говорит Виджин Вену, доктор философии по физике, выпускник Университета Торонто. «Этот подход позволяет избежать сложности многоатомных систем и позволяет полностью контролировать и изучать взаимодействия между атомами в паре».

Команда изолировала пары атомов в трехмерной оптической решетке — «кристалле света», как описывает его научный сотрудник Университета Торонто Кора Фудзивара, — созданном на пересечении трех лазерных лучей под углом 90 градусов друг к другу. Пересекающиеся лучи генерировали стационарные узлы высокой интенсивности, которые захватывали пары частиц. С помощью изолированных таким образом пар исследователи смогли измерить силу их взаимного взаимодействия.

«То, что мы увидели в нашем эксперименте, было замечательным, — говорит Фудзивара. «Это идеальная маленькая система. И теперь, когда у нас есть понимание этой системы из двух частиц, мы можем начать создавать такого рода экзотические системы, которые включают в себя гораздо больше частиц».

Результат имеет разветвления во многих различных технологиях, включая изучение сверхтекучести, сверхпроводимости и квантового моделирования.

Квантовое моделирование — это модели, предназначенные для понимания квантовых систем, таких как атомы, молекулы или химические реакции, — систем, управляемых квантовой механикой. Эти симуляции могут помочь понять, как свойства материалов возникают в результате взаимодействия между частицами.

«На самом деле взаимодействия между спин-поляризованными фермионами, которые мы наблюдали, по прогнозам приведут к появлению новых форм нетрадиционных надежных сверхтекучих жидкостей, что, как полагают, являются потенциальным ресурсом для квантовых вычислений», — объясняет Ана Мария Рей, адъюнкт-профессор физики в Университете Колорадо в Боулдере и научный сотрудник JILA и Национального института стандартов и технологий.

Задача решения квантовых моделей с помощью существующих компьютеров пугает; задача была описана как обучение квантовой механике компьютера. Перспективной альтернативой является использование существующих квантовых систем, другими словами, реальных атомов и молекул.

«То, что трудно для нас, легко для природы», — говорит Тивиссен. «Итак, мы можем использовать вычислительную мощь природы, просто «делая свое дело», для решения проблем, которые иначе были бы для нас неразрешимы».