Отчасти это объясняется тем, что математика в этой области очень сложна. В то же время трудно провести подходящие эксперименты: пришлось бы создавать ситуации, в которых важную роль играют явления как теории относительности, например, пространство-время, искривленное тяжелыми массами, и в то же время становятся видимыми квантовые эффекты, например, двойная частица и волна природа света.

В TU Wien в Вене, Австрия, в настоящее время для этой цели разработан новый подход: для решения таких вопросов используется так называемый "квантовый симулятор": вместо непосредственного исследования интересующей системы (а именно квантовых частиц в искривленном пространстве-времени) создается "модельная система", из которой затем можно по аналогии узнать что-то о реально интересующей системе. Теперь исследователи показали, что этот квантовый симулятор работает превосходно. Результаты этого международного сотрудничества с участием физиков из Критского университета, Наньянского технологического университета и Берлинского университета ФУ теперь опубликованы в научном журнале Труды Национальной академии наук США (ПНАС).

Изучение одной системы о другой

Основная идея, лежащая в основе квантового симулятора, проста: многие физические системы схожи. Даже если это совершенно разные виды частиц или физические системы в разных масштабах, которые, на первый взгляд, имеют мало общего друг с другом, эти системы могут подчиняться одним и тем же законам и уравнениям на более глубоком уровне. Это означает, что можно узнать что-то о конкретной системе, изучая другую.

"Мы берем квантовую систему, которую, как мы знаем, мы можем очень хорошо контролировать и настраивать в экспериментах", - говорит профессор. Йорг Шмидмайер из Атомного института в Венском университете. "В нашем случае это ультрахолодные атомные облака, удерживаемые и управляемые атомным чипом с помощью электромагнитных полей". Предположим, вы должным образом настроили эти атомные облака таким образом, чтобы их свойства можно было перевести в другую квантовую систему. В этом случае вы можете узнать что-то о другой системе из измерений системы модели атомного облака - подобно тому, как вы можете узнать что-то о колебаниях маятника из колебаний массы, прикрепленной к металлической пружине: это две разные физические системы, но одну можно перевести в другую. другой.

Эффект гравитационного линзирования

"Теперь мы смогли показать, что таким образом мы можем создавать эффекты, которые могут быть использованы для описания искривления пространства-времени", - говорит Мохаммадамин Таджик из Венского центра квантовой науки и технологий (VCQ) - ТУ Вин, первый автор текущей статьи. В вакууме свет распространяется вдоль так называемого "светового конуса". Скорость света постоянна; за равное время свет проходит одинаковое расстояние в каждом направлении. Однако, если на свет влияют большие массы, такие как гравитация Солнца, эти световые конусы изгибаются. Пути света больше не являются идеально прямыми в искривленном пространстве-времени. Это называется "эффектом гравитационной линзы".

То же самое теперь можно показать в атомных облаках. Вместо скорости света исследуется скорость звука. "Теперь у нас есть система, в которой существует эффект, соответствующий искривлению пространства-времени или гравитационному линзированию, но в то же время это квантовая система, которую можно описать с помощью квантовых теорий поля", - говорит Мохаммадамин Таджик. "Благодаря этому у нас появился совершенно новый инструмент для изучения связи между теорией относительности и квантовой теорией".

Модельная система для квантовой гравитации

Эксперименты показывают, что форма световых конусов, эффекты линзирования, отражения и другие явления могут быть продемонстрированы в этих атомных облаках точно так, как ожидается в релятивистских космических системах. Это интересно не только для получения новых данных для фундаментальных теоретических исследований - физика твердого тела и поиск новых материалов также сталкиваются с вопросами, которые имеют сходную структуру и, следовательно, могут быть решены с помощью таких экспериментов.

"Теперь мы хотим лучше контролировать эти атомарные облака, чтобы получать еще более масштабные данные. Например, взаимодействия между частицами все еще можно изменять очень целенаправленно", - объясняет Йорг Шмидмайер. Таким образом, квантовый симулятор может воссоздавать физические ситуации, которые настолько сложны, что их невозможно рассчитать даже с помощью суперкомпьютеров.

Таким образом, квантовый симулятор становится новым, дополнительным источником информации для квантовых исследований - в дополнение к теоретическим расчетам, компьютерному моделированию и прямым экспериментам. Изучая атомные облака, исследовательская группа надеется столкнуться с новыми явлениями, которые, возможно, были совершенно неизвестны до сих пор, которые также происходят в космическом, релятивистском масштабе - но без изучения крошечных частиц они, возможно, никогда бы не были обнаружены.