Чтобы лучше понять эти теории, одна из возможностей состоит в том, чтобы реализовать их с использованием искусственных и высокоуправляемых квантовых систем. Эта стратегия называется квантовым моделированием и представляет собой особый тип квантовых вычислений. Впервые он был предложен физиком Ричардом Фейнманом в 80-х годах, более чем через пятнадцать лет после того, как ему была присуждена Нобелевская премия по физике за его новаторскую теоретическую работу по калибровочным теориям. Квантовое моделирование можно рассматривать как квантовую игру LEGO, в которой физики-экспериментаторы придают реальность абстрактным теоретическим моделям. Они строят их в лаборатории "квантовый кирпичик за квантовым кирпичиком", используя очень хорошо управляемые квантовые системы, такие как ультрахолодные атомы или ионы. Собрав один квантовый прототип LEGO для конкретной модели, исследователи могут очень точно измерить его свойства в лаборатории и использовать свои результаты, чтобы лучше понять теорию, которой он имитирует. В течение последнего десятилетия квантовое моделирование интенсивно использовалось для исследования квантовых материалов. Однако играть в квантовую игру LEGO с калибровочными теориями принципиально сложнее. До сих пор таким образом можно было исследовать только электромагнитную силу.

В недавнем исследовании, опубликованном в Природа, Исследователи-экспериментаторы ICFO Аника Фрелиан, Крейг Чисхолм, Рамон Рамос, Элеттра Нери и Сезар Кабрера, возглавляемые профессором ICREA. в ICFO Летиция Тарруэлл в сотрудничестве с Алессио Сели, исследователем-теоретиком из программы Talent Автономного университета Барселоны, впервые смогли смоделировать калибровочную теорию, отличную от электромагнетизма, используя ультрахолодные атомы.

Калибровочная теория для очень тяжелых фотонов

Команда задалась целью реализовать в лаборатории калибровочную теорию, принадлежащую к классу топологических калибровочных теорий, отличающуюся от класса динамических калибровочных теорий, к которым относится электромагнетизм.

На языке калибровочной теории электромагнитная сила между двумя электронами возникает, когда они обмениваются фотоном: частицей света, которая может распространяться даже при отсутствии материи. Однако в двумерных квантовых материалах, подверженных воздействию очень сильных магнитных полей, фотоны, которыми обмениваются электроны, ведут себя так, как если бы они были чрезвычайно тяжелыми и могли двигаться только до тех пор, пока они прикреплены к веществу. В результате электроны обладают очень своеобразными свойствами: они могут проходить только через края материала в направлении, которое задается ориентацией магнитного поля, и их заряд становится, по-видимому, дробным. Это поведение известно как дробный квантовый эффект Холла и описывается калибровочной теорией Черна-Саймонса (названной в честь математиков, разработавших один из ее ключевых элементов). Поведение электронов, ограниченных одним краем материала, также должно быть описано калибровочной теорией, в данном случае называемой киральной BF, которая была предложена в 90-х годах, но не была реализована в лаборатории, пока исследователи ICFO и UAB не вытащили ее из морозильной камеры.

Ультрахолодное облако, которое ведет себя не так, как его зеркальное отражение

Чтобы придать реальность этой топологической калибровочной теории и смоделировать ее в своем эксперименте, команда использовала облако атомов, охлажденных до температуры примерно в миллиардную долю градуса выше абсолютного нуля. В качестве атомных разновидностей они выбрали калий, потому что один из его изотопов имеет два состояния, которые взаимодействуют с разной силой и могут быть использованы в качестве квантовых кирпичиков для построения калибровочной теории кирального BF. Затем они посветили лазерным лучом, чтобы объединить два состояния в одно новое. Эта техника, называемая "одевать атомы светом", заставляла их приобретать особые взаимодействия, сила и знак которых зависели от скорости облака. Наконец, они создали оптический волновод, который ограничивал бы движение атомов линией, и использовали дополнительные лазеры, чтобы пнуть облако и заставить его двигаться вдоль него с разной скоростью.

В нормальных условиях, если бы атомы свободно эволюционировали в волноводе, это привело бы к расширению облака. Однако при включенной подсветке изображения атомов, сделанные в лаборатории, показали совершенно иное поведение. Как объясняет Рамон Рамос, "в нашей системе, когда атомы перемещаются вправо, их взаимодействия становятся привлекательными и отменяют поведение атомов, пытающихся расшириться. Итак, что вы на самом деле видите, так это то, что форма облака остается прежней. Говоря техническими словами, мы реализовали солитон. Но если атомы переместятся влево, эти атомы расширятся, как обычный газ". Наблюдение атомов, которые ведут себя по-разному при движении в противоположных направлениях, демонстрирует, что система киральна, то есть отличается от своего зеркального отражения. "Когда мы впервые наблюдали эффект киральных взаимодействий в нашем атомном облаке, мы не пытались моделировать калибровочную теорию. Но данные были настолько прекрасны и интригующи, что мы почувствовали, что нам действительно нужно лучше понять их значение. Это заставило меня полностью изменить исследовательские планы команды", - говорит Летисия Тарруэлл.

Команда быстро выяснила, что их наблюдения были связаны с теоретической статьей, опубликованной десятью годами ранее, в которой предлагалось использовать почти идентичную установку для изучения модифицированного типа электромагнетизма. Однако результаты эксперимента, казалось, никогда не соответствовали их ожиданиям. Как вспоминает Крейг Чисхолм, первоначально "результаты, которые мы получали, казалось, совсем не соответствовали какой-либо теории. Задача состояла в том, чтобы понять, в каком режиме вы должны были находиться, чтобы действительно увидеть правильный эффект, исходящий из правильного места, и устранить эффект, исходящий из неправильного места ".

Для экспериментальной группы значение модифицированного электромагнетизма, упомянутого в статье, также было очень неясным. В нем цитировались работы по математической физике 90-х годов, в которых устанавливалась связь с калибровочными теориями, используемыми для описания дробного квантового эффекта Холла. Однако, как говорит Тарруэлл, "для таких физиков-атомщиков-экспериментаторов, как мы, содержание этих работ было очень трудно понять, потому что они были написаны на языке математической физики, который полностью отличался от нашего. Было действительно неприятно осознавать, что ответ на наши вопросы был там, но мы не могли его понять! Именно тогда мы решили, что нам нужно привлечь к делу теоретика".

Очень плодотворное сотрудничество между экспериментом и теорией

Физику-теоретику Алессио Чели, который много лет работал над физикой высоких энергий и гравитацией, прежде чем переключиться на квантовое моделирование, было легко читать оригинальные статьи по калибровочной теории. В то же время он мог понять режим, в котором могли проводиться эксперименты, и связанные с ними проблемы. Он встретился с экспериментальной группой и после нескольких обсуждений разработал модель, которая могла бы должным образом объяснить результаты эксперимента. Как он объясняет, "главная проблема, с которой мы столкнулись, заключалась в том, чтобы войти в правильные рамки. Как только вы знали, где искать, это стало легкой проблемой для решения". Примечательно, что существовал режим параметров, в котором эта модель была в точности топологической калибровочной теорией, предложенной 30 годами ранее для описания поведения электронов на краях материалов фракционного квантового Холла.

"Я думаю, что этот проект показывает нам силу междисциплинарного сотрудничества. Объединение экспериментальных инструментов физики сверхнизких температур и теоретических инструментов физики высоких энергий сделало всех нас лучшими физиками и привело к первому квантовому моделированию топологической калибровочной теории", - заключает Тарруэлл.

Команда уже настроена на изучение новых направлений исследований, открытых этим проектом. Теперь их цель состоит в том, чтобы попытаться расширить эксперименты и теорию с линии на плоскость, что позволило бы им наблюдать дробный квантовый эффект Холла без необходимости в квантовом материале. Это дало бы доступ к экзотическим квазичастицам, называемым анионами, которые в будущем можно было бы использовать для более надежных форм квантовых вычислений.