Voor de meeste alledaagse ervaringen, zoals fietsen, een lift gebruiken of een bal vangen, klassieke (Newtoniaanse) mechanica is perfect nauwkeurig.

Echter, op atomaire en subatomaire schaal De natuur wordt beschreven door de kwantummechanica, ongeveer 100 jaar geleden geformuleerd en beroemd gekarakteriseerd door theoretisch fysicus Richard Feynman toen hij zei:"Ik denk dat ik gerust kan zeggen dat niemand kwantummechanica begrijpt".

Zelfs vandaag de dag blijft het begrijpen van de dynamiek van kwantummechanische systemen die bestaan ​​uit een groot aantal op elkaar inwerkende deeltjes een van de moeilijkste problemen in de natuurkunde.

Om deze uitdaging aan te gaan, een interdisciplinaire onderzoekssamenwerking van kwantuminformatietheoretici van de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Swansea heeft een nieuw kwantumsimulatieprotocol ontwikkeld.

In hun theoriestudie gepubliceerd in Fysieke beoordeling X , Hoogenergetisch fysicus prof.dr. Gert Aarts stelt samen met dr. Markus Müller en Alejandro Bermudez voor om koude atomen te gebruiken als regelbare kwantumsensoren om experimenteel toegang te krijgen tot belangrijke eigenschappen van op elkaar inwerkende kwantumveldentheorieën. De resultaten kunnen moeilijk verhelderen, open vragen in gecondenseerde materie en hoge-energiefysica.

Kwantumveldentheorie biedt een verenigende taal die een grote verscheidenheid aan systemen in de natuur beschrijft op vele energieschalen, variërend van ultrakoude atomen in het laboratorium tot de meest energetische deeltjes bij de Large Hadron Collider.

Alejandro Bermudez zei:"Een hoeksteen van de kwantumveldentheorie is de zogenaamde genererende functionele, waaruit alle correlaties tussen deeltjes kunnen worden afgeleid." Professor Aarts voegde toe:"Meestal wordt dit beschouwd als een wiskundig hulpmiddel dat alle relevante informatie over de kwantumveldentheorie netjes comprimeert tot één, enigszins abstract, hoeveelheid."

In dit werk, het team laat zien hoe de genererende functionele in het lab gemeten kan worden, met behulp van reeksen gevangen lasergekoelde ionen.

Het belangrijkste idee van het nieuwe schema is om de informatie over de genererende functie in kaart te brengen op een verzameling verstrengelde kwantumsensoren, gecodeerd in elektronische toestanden van de ionen.

"Deze kwantumsensoren worden vervolgens gekoppeld door een reeks nauwkeurig getimede pulsen naar het kwantumveld, ongeveer zoals de toetsen van een piano, die op verschillende tijdstippen moet worden ingedrukt om een ​​melodie te produceren", legt Muller uit. "Deze melodie - die overeenkomt met het experimentele interferometrische meetsignaal - bevat de relevante informatie over de relevante kwantumveldentheorie."

De resultaten vormen een belangrijke stap in het bredere onderwerp van kwantumsimulaties, die tot doel hebben problemen in de kwantumfysica met veel lichamen te begrijpen door middel van experimentele systemen die nauwkeurig kunnen worden gemanipuleerd om de onderzochte kwantumveldentheorie weer te geven.

Kwantumsensoren voor het genereren van functionele van op elkaar inwerkende kwantumveldentheorieën. A. Bermudez, G. Aarts, en M. Müller is gepubliceerd in Fysieke beoordeling X .