Іноді в квантовій фізиці теорія з'являється задовго до практичного спостереження: у випадку двох теорій, які міжнародна команда під керівництвом дослідників з Каліфорнійського технологічного інституту тепер експериментально перевірила, це сталося на 40 років раніше.

Ці теорії відомі як конформні польові теорії (CFT), і вони стосуються математики, що лежить в основі того, що фізики називають універсальністю. Універсальність відбувається, коли різні матеріали починають поводитися подібно поблизу критичних точок, таких як кипіння води або втрата магнітного поля.

У 1984 році фізик Джон Карді використав математику CFT, щоб передбачити, що системи на критичних точках поглинатимуть енергію за специфічними, фіксованими патернами. Дослідники порівнюють ці енергетичні патерни з риштованням на драбині.

Раніше драбина була теоретичною, але ніколи не спостерігалася або вимірювалася. У своєму дослідженні, опублікованому в Nature, дослідники тепер можуть звітувати про ці енергетичні патерни, як їх видно в квантовому симуляторі.

"Енергетичні рівні, передбачені цими теоріями, важливі, оскільки вони кодують глибоку інформацію про самі теорії," говорить теоретичний фізик Джейсон Алісеа з Каліфорнійського технологічного інституту.

"Навіть якщо ми вважали ці теорії правдивими, важливо мати експериментальне підтвердження, щось, що можна перевірити. Бачити, як ці передбачення здійснюються, - це прекрасна річ."

У симуляторі, який працює як спрощений, спеціально розроблений квантовий комп'ютер, дослідники використовували атоми стронцію, затримані та розташовані за допомогою лазерного світла.

Окремі лазери потім використовувалися для збудження атомів у високі енергетичні стани, звані станами Ридберга, які збільшують взаємодію між атомами.

Отримавши ланцюг атомів, що поводиться як єдине ціле через ці посилені взаємодії, його налаштували, щоб наблизитися до критичної точки.

У цей момент атоми були збуджені шляхом модуляції лазерів на різних частотах, що виявило 'рівні' енергетичної драбини.

Енергетичні патерни відповідали передбаченням як для Ізінг-точки, так і для трикритичної точки, двох критичних точок, які команда хотіла дослідити.

"Ми повторили експеримент на ланцюгах до 35 атомів, і рівні виявилися такими, як передбачено конформною польовою теорією Ізінга: спектри злилися в одну універсальну криву після масштабування за розміром," говорить фізик Сянкай Сун з Каліфорнії.

"Потім ми налаштувалися на трикритичну точку і виміряли найнижчі рівні її відмінного спектра, які виявилися в різних співвідношеннях, передбачених теорією."

Це дає вченим щось, на чому можна експериментувати, проводячи подальші дослідження CFT. Це допоможе вивчити, як матеріали поводяться на квантових критичних точках, при температурах, близьких до абсолютного нуля.

Дослідники вважають, що той же підхід може бути корисним у багатьох інших квантових критичних точках, можливо, там, де CFT не так точно передбачає, чого очікувати.

"Що мене захоплює, так це те, що техніка не вимагає знання відповіді заздалегідь," говорить фізик Мануель Ендрес з Каліфорнії. "Тут ми могли перевірити наші вимірювання проти точних передбачень."

"Наступний крок - націлити це на системи, де ніхто не знає кількісної реакції системи - включаючи режими, які класичні комп'ютери не можуть досягти."

Окрім підтвердження того, що ми думали, що знаємо про CFT і роботу Джона Карді, дослідження демонструє, що компоненти квантових комп'ютерів можуть бути корисними для наукових досліджень навіть до того, як повноцінні квантові комп'ютери з'являться.

Схожа квантова платформа в тій же лабораторії нещодавно змогла затримати 6 100 атомів в масиві, що значно перевищує 35, необхідні тут.

Майбутні дослідження можуть розглядати не лише один ряд атомів, а й атоми в решітках.

"Наші нові інструменти запозичують з платформ квантових комп'ютерів," говорить Сун. "Протягом останніх 10 років люди вчилися контролювати ці системи, і тепер ми досягли того моменту, коли можемо використовувати їх для фундаментальних фізичних досліджень."