As teorias quânticas de campo costumam ser difíceis de verificar em experimentos. Agora, há uma nova maneira de colocá-los à prova. Os cientistas criaram um sistema quântico que consiste em milhares de átomos ultra frios. Ao mantê-los em uma armadilha magnética em um chip de átomo, esta nuvem de átomos pode ser usada como um 'simulador quântico', que produz novos insights sobre algumas das questões mais fundamentais da física.

O que aconteceu logo após o início do universo? Como podemos entender a estrutura dos materiais quânticos? Como funciona o Mecanismo de Higgs? Essas questões fundamentais só podem ser respondidas por meio de teorias quânticas de campo. Essas teorias não descrevem partículas independentemente umas das outras; todas as partículas são vistas como um campo coletivo, permeando todo o universo.

Mas essas teorias costumam ser difíceis de testar em um experimento. No Centro de Viena para Ciência e Tecnologia Quântica (VCQ) em TU Wien, pesquisadores já demonstraram como as teorias quânticas de campo podem ser postas à prova em novos tipos de experimentos. Eles criaram um sistema quântico que consiste em milhares de átomos ultra frios. Ao mantê-los em uma armadilha magnética em um chip de átomo, esta nuvem de átomos pode ser usada como um "simulador quântico", que produz informações sobre uma variedade de diferentes sistemas físicos e novos insights sobre algumas das questões mais fundamentais da física.

Sistemas quânticos complexos - mais do que a soma de suas partes

"Os átomos ultra frios abrem uma porta para recriar e estudar os processos quânticos fundamentais no laboratório", diz o professor Jörg Schmiedmayer (VCQ, TU Wien). Uma característica desse sistema é que suas partes não podem ser estudadas independentemente.

Os sistemas clássicos que conhecemos pela experiência diária são bastante diferentes:as trajetórias das bolas em uma mesa de bilhar podem ser estudadas separadamente - as bolas apenas interagem quando colidem.

"Em um sistema quântico altamente correlacionado como o nosso, feito de milhares de partículas, a complexidade é tão alta que uma descrição em termos de seus constituintes fundamentais é matematicamente impossível ", diz Thomas Schweigler, o primeiro autor do artigo. "Em vez de, descrevemos o sistema em termos de processos coletivos em que muitas partículas participam - semelhantes a ondas em um líquido, que também são compostos de incontáveis ​​moléculas. "Esses processos coletivos agora podem ser estudados em detalhes sem precedentes usando os novos métodos.

Correlações mais altas

Em medições de alta precisão, Acontece que a probabilidade de encontrar um átomo individual não é a mesma em cada ponto do espaço - e existem relações intrigantes entre as diferentes probabilidades. "Quando temos um gás clássico e medimos duas partículas em dois locais separados, este resultado não influencia a probabilidade de encontrar uma terceira partícula em um terceiro ponto no espaço ", disse Jörg Schmiedmayer. "Mas na física quântica, existem conexões sutis entre as medições em diferentes pontos do espaço. Essas correlações nos falam sobre as leis fundamentais da natureza que determinam o comportamento da nuvem de átomos em um nível quântico. "

"As chamadas funções de correlação, que são usados ​​para descrever matematicamente essas relações, são uma ferramenta extremamente importante na física teórica para caracterizar sistemas quânticos ", diz o professor Jürgen Berges (Instituto de Física Teórica, Universidade de Heidelberg). Mas, embora tenham desempenhado um papel importante na física teórica por muito tempo, essas correlações dificilmente poderiam ser medidas em experimentos. Com a ajuda dos novos métodos desenvolvidos na TU Wien, isso agora está mudando:"Podemos estudar correlações de diferentes ordens - até a décima ordem. Isso significa que podemos investigar a relação entre medições simultâneas em dez pontos diferentes no espaço", Schmiedmayer explica. "Para descrever o sistema quântico, é muito importante se essas correlações mais altas podem ser representadas por correlações de ordem inferior - neste caso, eles podem ser negligenciados em algum ponto - ou se eles contêm novas informações. "

Simuladores quânticos

Usando tais sistemas altamente correlacionados, como a nuvem de átomos na armadilha magnética, várias teorias agora podem ser testadas em um ambiente bem controlado. Isso nos permite obter uma compreensão profunda da natureza das correlações quânticas. Isso é especialmente importante porque as correlações quânticas desempenham um papel crucial em muitos, questões de física aparentemente não relacionadas:exemplos são o comportamento peculiar do universo jovem logo após o big bang, mas também para novos materiais especiais, como os chamados isoladores topológicos.

Informações importantes sobre esses sistemas físicos podem ser obtidas através da recriação de condições semelhantes em um sistema modelo, como as nuvens de átomos. Esta é a ideia básica dos simuladores quânticos:muito parecido com as simulações de computador, que produzem dados com os quais podemos aprender algo sobre o mundo físico, uma simulação quântica pode produzir resultados sobre um sistema quântico diferente que não pode ser acessado diretamente no laboratório.

O estudo está publicado na revista Natureza .