¿Qué sucedió justo después del comienzo del universo? ¿Cómo podemos entender la estructura de los materiales cuánticos? ¿Cómo funciona el Mecanismo de Higgs? Estas preguntas fundamentales solo pueden responderse usando teorías de campo cuántico. Estas teorías no describen partículas independientemente deentre sí; todas las partículas se ven como un campo colectivo, que impregna todo el universo.
Pero estas teorías son a menudo difíciles de probar en un experimento. En el Centro de Viena para Ciencia y Tecnología Cuántica VCQ en TU Wien, los investigadores ahora han demostrado cómo las teorías de campo cuántico pueden ponerse a prueba en nuevos tipos de experimentos.Han creado un sistema cuántico que consta de miles de átomos ultra fríos. Al mantenerlos en una trampa magnética en un chip atómico, esta nube atómica se puede utilizar como un "simulador cuántico", que proporciona información sobre una variedad de diferentes sistemas físicos ynuevas ideas sobre algunas de las preguntas más fundamentales de la física.
Sistemas cuánticos complejos: más que la suma de sus partes
"Los átomos ultra fríos abren una puerta para recrear y estudiar procesos cuánticos fundamentales en el laboratorio", dice el profesor Jörg Schmiedmayer VCQ, TU Wien. Una característica de un sistema de este tipo es que sus partes no pueden estudiarse independientemente.
Los sistemas clásicos que conocemos por la experiencia diaria son bastante diferentes: las trayectorias de las bolas en una mesa de billar se pueden estudiar por separado; las bolas solo interactúan cuando chocan.
"En un sistema cuántico altamente correlacionado como el nuestro, hecho de miles de partículas, la complejidad es tan alta que una descripción en términos de sus componentes fundamentales es matemáticamente imposible", dice Thomas Schweigler, el primer autor del artículo ".En cambio, describimos el sistema en términos de procesos colectivos en los que participan muchas partículas, similar a las ondas en un líquido, que también están formadas por innumerables moléculas. "Estos procesos colectivos ahora pueden estudiarse en detalles sin precedentes utilizando los nuevos métodos.
correlaciones más altas
En mediciones de alta precisión, resulta que la probabilidad de encontrar un átomo individual no es la misma en cada punto del espacio, y existen relaciones intrigantes entre las diferentes probabilidades ". Cuando tenemos un gas clásico y medimosdos partículas en dos ubicaciones separadas, este resultado no influye en la probabilidad de encontrar una tercera partícula en un tercer punto en el espacio ", dice Jörg Schmiedmayer." Pero en física cuántica, hay conexiones sutiles entre las mediciones en diferentes puntos en el espacio.las correlaciones nos hablan de las leyes fundamentales de la naturaleza que determinan el comportamiento de la nube atómica a nivel cuántico "
"Las llamadas funciones de correlación, que se usan para describir matemáticamente estas relaciones, son una herramienta extremadamente importante en la física teórica para caracterizar los sistemas cuánticos", dice el profesor Jürgen Berges Instituto de Física Teórica, Universidad de Heidelberg. Pero aunquehan jugado un papel importante en la física teórica durante mucho tiempo, estas correlaciones difícilmente podrían medirse en experimentos. Con la ayuda de los nuevos métodos desarrollados en TU Wien, esto ahora está cambiando: "Podemos estudiar correlaciones de diferentes órdenes.hasta el décimo orden. Esto significa que podemos investigar la relación entre mediciones simultáneas en diez puntos diferentes en el espacio ", explica Schmiedmayer." Para describir el sistema cuántico, es muy importante si estas correlaciones más altas pueden representarse por correlaciones de más bajasorden, en este caso, pueden descuidarse en algún momento, o si contienen información nueva ".
Simuladores cuánticos
Utilizando sistemas tan altamente correlacionados como la nube atómica en la trampa magnética, ahora se pueden probar varias teorías en un entorno bien controlado. Esto nos permite obtener una comprensión profunda de la naturaleza de las correlaciones cuánticas. Esto es especialmente importante porque cuánticaLas correlaciones juegan un papel crucial en muchas preguntas de física aparentemente no relacionadas: los ejemplos son el comportamiento peculiar del universo joven justo después del Big Bang, pero también para materiales nuevos especiales, como los llamados aislantes topológicos.
Se puede obtener información importante sobre tales sistemas físicos recreando condiciones similares en un sistema modelo, como las nubes atómicas. Esta es la idea básica de los simuladores cuánticos: al igual que las simulaciones por computadora, que producen datos de los que podemos aprender algo sobre elmundo físico, una simulación cuántica puede arrojar resultados sobre un sistema cuántico diferente al que no se puede acceder directamente en el laboratorio.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad Tecnológica de Viena . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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