Teori 40 yıl önceden gelmişti; Caltech ekibi deneyle doğruladı.
Caltech liderliğinde uluslararası bir ekip, 1984'te John Cardy tarafından öngörülen ve 'enerji merdiveni' olarak adlandırılan kuantum kritik nokta desenlerini, strontium atomlarıyla kurulan bir kuantum simülatörde ilk kez deneysel olarak gözlemledi. Bulgular Nature dergisinde yayınlandı.
Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü (Caltech) araştırmacıları önderliğindeki uluslararası bir ekip, kuantum fiziğinde 40 yıl önce koyulan bir teorik tahmini deneyle doğruladı. John Cardy 1984'te, malzemelerin kritik geçiş noktalarındaki davranışlarını açıklayan uyumlu alan teorileri (CFT) çerçevesinde, sistemlerin enerjiyi belirli, sabit desenlerde yuttuğunu öngörmüştü.
Bu desenler fizikçiler tarafından 'enerji merdiveni' benzetmesiyle anlatılır; her basamak bir enerji seviyesine karşılık gelir. Teori uzun yıllar boyunca sadece kağıt üzerinde vardı; artık bir kuantum simülatörde somutlaştırıldı.
Deney nasıl kuruldu
Araştırmacılar, lazer ışığıyla tutunup dizilmiş strontium atomları zincirlerini bir kuantum simülatöründe kullandı. Bu simülatör, tam anlamıyla bir kuantum bilgisayar olmasa da, kontrol edilebilir kuantum sistemleri gibi davranan, özel amaçlı bir platformdur. Ekip, ayrı lazerlerle atomları yüksek enerjili Rydberg durumlarına uçurdu.
Bu durumda atomlar arası etkileşim güçlenir ve atom zinciri tek bir kuantum varlığı gibi davranmaya başlar. Sistemin 35 atoma kadar uzayan zincirlerde bu yöntemle kritik geçiş noktalarına yaklaşıldı.
İki kritik nokta test edildi
Takım, Ising kritik noktasını ve üçlü kritik noktasını (tricritical point) inceledi. Atom zinciri kritik noktaya getirildikten sonra, lazerlerin frekansı modüle edilerek sistem 'sallandı'. Bu sallantıda ortaya çıkan enerji spektrumunda, CFT'nin öngördüğü basamaklar netleşti.
Ising noktasında, farklı boyuttaki zincirlerin spektrumları ölçeklendirildiğinde tek bir evrensel eğri üzerine çöktü. Üçlü kritik noktada ise en düşük enerji seviyeleri teorinin tahmin ettiği farklı oranlarda gözlemledi.
"35 atoma kadar uzayan zincirlerde deneyi tekrarladık ve basamaklar Ising uyumlu alan teorisinin öngördüğü gibi çıktı: spektrumlar boyut için yeniden ölçeklendirildikten sonra tek bir evrensel eğri üzerine çöktü," dedi Caltech fizikçisi Xiangkai Sun.
"Bu teorilerin öngördüğü enerji seviyeleri önemlidir çünkü teoriler hakkında derin bilgiyi kodlarlar," diye konuştu Caltech teorik fizikçisi Jason Alicea. "Bu teorilerin doğru olduğunu varsaymış olsak da, deneysel bir gerçekleştirmeye sahip olmak, üzerinde deneme yanılma yapabileceğiniz bir şeye sahip olmak kritik öneme sahiptir. Bu tahminlerin gerçekleştiğini görmek harika bir şeydir."
Kuantum bilgisayar bileşenleri bilim için erken devreye girdi
Bu çalışma, CFT ve Cardy'nin işinin doğruluğunu kanıtlamanın ötesinde, kuantum bilgisayar bileşenlerinin tam kuantum bilgisayarlar gelmeden bile temel fizikk araştırması için kullanılabileceğini gösterdi. Manuel Endres, "Bu teknik cevabı önceden bilmeyi gerektirmediği için beni heyecanlandırıyor.
Burada ölçümlerimizi kesin tahminlerle karşılaştırma şansımız vardı" dedi. Endres'e göre bir sonraki adım, klasik bilgisayarların hesaplayamayacağı sistemlerde, yanıtın nicel olarak bilinmediği rejimlerde bu aracı kullanmaktır.
Aynı laboratuvardaki ilgili bir kuantum platform yakın zamanda 6.100 atomu bir dizide yakalayabilmiş; bu, deneyde kullanılan 35 atomun çok ötesindedir. Gelecek çalışmalar tek boyutlu zincirlerin ötesine, atom ızgaralarına geçebilir.
Sun, "Son 10 yıldır bu sistemleri kontrol etmeyi öğreniyoruz ve artık onları temel fizikk araştırması yapmak için kullanabileceğimiz noktadayız" ifadesiyle süreci özetledi.
Ne kanıtlandı, ne açık kaldı
Ising ve üçlü kritik noktalardaki enerji merdiveni basamakları deneysel olarak doğrulandı.
Uyumlu alan teorisinin bu iki noktadaki tahminleri gerçekleşti.
Çalışma, kuantum simülatörlerin temel fizikk keşif araçları olduğunu kanıtladı.
Hangi diğer kritik noktalarda CFT kesin tahmin veremeyeceği henüz bilinmiyor; yöntem orada test edilecek.
Bu haber işinize yaradı mı?
