Las teorías cuánticas de campos a menudo son difíciles de verificar en experimentos. Ahora, hay una nueva forma de ponerlos a prueba. Los científicos han creado un sistema cuántico que consta de miles de átomos ultra fríos. Manteniéndolos en una trampa magnética en un chip atómico, esta nube de átomos se puede utilizar como un 'simulador cuántico', lo que aporta nuevos conocimientos sobre algunas de las cuestiones más fundamentales de la física.

¿Qué sucedió justo después del comienzo del universo? ¿Cómo podemos comprender la estructura de los materiales cuánticos? ¿Cómo funciona el mecanismo de Higgs? Estas preguntas fundamentales solo pueden responderse utilizando teorías cuánticas de campos. Estas teorías no describen partículas independientemente unas de otras; todas las partículas se ven como un campo colectivo, impregnando todo el universo.

Pero estas teorías a menudo son difíciles de probar en un experimento. En el Centro de Viena de Ciencia y Tecnología Cuántica (VCQ) en TU Wien, Los investigadores han demostrado ahora cómo se pueden poner a prueba las teorías cuánticas de campos en nuevos tipos de experimentos. Han creado un sistema cuántico que consta de miles de átomos ultra fríos. Manteniéndolos en una trampa magnética en un chip atómico, esta nube de átomos se puede utilizar como un "simulador cuántico", que proporciona información sobre una variedad de sistemas físicos diferentes y nuevos conocimientos sobre algunas de las cuestiones 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 Viena). Un rasgo característico de tal sistema es que sus partes no se pueden estudiar de forma independiente.

Los sistemas clásicos que conocemos por 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 constituyentes fundamentales es matemáticamente imposible ", dice Thomas Schweigler, el primer autor del artículo. "En lugar de, Describimos el sistema en términos de procesos colectivos en los que participan muchas partículas, similar a las ondas en un líquido, que también se componen de innumerables moléculas ". Estos procesos colectivos ahora se pueden estudiar con un detalle 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 medimos dos partículas en dos lugares separados, este resultado no influye en la probabilidad de encontrar una tercera partícula en un tercer punto del espacio ", dice Jörg Schmiedmayer. "Pero en física cuántica, hay conexiones sutiles entre mediciones en diferentes puntos del espacio. Estas correlaciones nos hablan de las leyes fundamentales de la naturaleza que determinan el comportamiento de la nube de átomos a nivel cuántico ".

"Las llamadas funciones de correlación, que se utilizan para describir matemáticamente estas relaciones, son una herramienta extremadamente importante en física teórica para caracterizar sistemas cuánticos ", dice el profesor Jürgen Berges (Instituto de Física Teórica, Universidad de Heidelberg). Pero a pesar de que han 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", Schmiedmayer explica. "Para describir el sistema cuántico, Es muy importante si estas correlaciones más altas pueden representarse por correlaciones de orden inferior; en este caso, pueden descuidarse en algún momento, o si contienen nueva información ".

Simuladores cuánticos

Usando sistemas tan altamente correlacionados como la nube de átomos 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 las correlaciones cuánticas juegan un papel crucial en muchos, Preguntas de física aparentemente no relacionadas:ejemplos son el comportamiento peculiar del universo joven justo después del Big Bang, sino también para nuevos materiales especiales, como los denominados aislantes topológicos.

Se puede obtener información importante sobre tales sistemas físicos recreando condiciones similares en un sistema modelo, como las nubes de átomos. Ésta 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 el mundo físico, una simulación cuántica puede producir resultados sobre un sistema cuántico diferente al que no se puede acceder directamente en el laboratorio.

El estudio se publica en la revista Naturaleza .