Este resultado representa un pequeño paso inicial en la comprensión de los sistemas cuánticos naturales y su potencial para mejorar las simulaciones cuánticas.

dice Josef Thewissen, profesor del Departamento de Física y miembro del Centro de Información Cuántica y Control Cuántico de la Universidad de Toronto.

“Probablemente sepas todo sobre la molécula, pero aún no sabes que hay olas en el océano, y mucho menos cómo surfear”, dice. “Esto se debe a que cuando juntas un montón de moléculas, se comportan de una manera que probablemente no podrías esperar”.

El estudiante graduado de física Frank Corapi y el profesor Josef Thewissen, en el Laboratorio de Átomos en Ultracold Atoms en la Universidad de Toronto. Crédito: Jo Ann MacArthur

Thewessen analiza el principio de emergencia en la física, que estudia la relación entre las propiedades y el comportamiento de las partículas individuales y un gran grupo de esas partículas. Junto con su equipo, dio un paso inicial en la exploración de la transición de partículas “uno a muchos” al analizar no uno, ni un gran número, sino solo dos átomos de potasio aislados e interactivos.

El resultado, descrito en un artículo de investigación publicado recientemente en la revista naturalezaes un pequeño primer paso hacia la comprensión de los sistemas cuánticos naturales y cómo puede conducir a simulaciones cuánticas más potentes y eficientes.

Un equipo colaborativo de físicos experimentales de la Universidad de Toronto y físicos teóricos de la Universidad de Colorado midió la fuerza de un tipo de interacción, conocida como “interacciones de onda p”, entre dos átomos de potasio y descubrió que el resultado confirma una relación de larga duración. predicción sostenida.

Frank Corapi en el Laboratorio de Átomos Ultrafríos de la Universidad de Toronto. Crédito: Jo Ann MacArthur

Las interacciones de las ondas P son débiles en los sistemas naturales, pero los investigadores esperaban que tuvieran un límite teórico mucho más alto. El equipo fue el primero en confirmar que la fuerza de la onda p entre partículas alcanzaba este máximo.

“En nuestro laboratorio, pudimos aislar dos átomos a la vez”, dice Vigen Venu, Ph.D., físico. Graduado de la Universidad de Toronto. Este enfoque evita muchas complicaciones.[{” attribute=””>atom systems and allows full control and study of interactions between atoms in a pair.”

The team isolated pairs of atoms within a 3D optical lattice — a “crystal of light” as University of Toronto physics postdoctoral researcher Cora Fujiwara describes it — created at the intersection of three laser beams at 90 degrees to each other. The intersecting beams generated stationary nodes of high intensity which trapped pairs of particles. With pairs isolated in this way, the researchers were able to measure the strength of their mutual interaction.

Physics graduate students Robyn Learn and Frank Corapi, and Professor Joseph Thywissen, in the Ultracold Atoms Lab at the University of Toronto. Credit: Jo-Anne McArthur

“What we saw in our experiment was remarkable,” says Fujiwara. “It’s a perfect little system. And now that we have this understanding of this two-particle system, we can start to create these sorts of exotic systems which involve many, many more particles.”

The result has ramifications in many different technologies including the study of superfluids, superconductivity, and quantum simulations.

Quantum simulations are models designed to understand quantum systems like atoms, molecules, or chemical reactions — systems ruled by quantum mechanics. These simulations can help understand how properties of materials emerge from particle-particle interactions.

“In fact, the interactions between spin-polarized fermions that we have observed are predicted to give rise to new forms of unconventional robust superfluids, which are believed to be a potential resource for quantum calculations,” explains Ana Maria Rey, an adjoint professor of physics at the University of Colorado Boulder and a fellow of JILA and the National Institute of Standards and Technology.

The challenge of solving quantum models with existing computers is daunting; the task has been described as teaching quantum mechanics to a computer. A promising alternative is to use existing quantum systems — in other words, actual atoms and molecules.

“What’s hard for us, is easy for nature,” says Thywissen. “And so, we can harness the computational power of nature just ‘doing its thing’ to solve problems that are otherwise intractable to us.”

Reference: “Unitary p-wave interactions between fermions in an optical lattice” by Vijin Venu, Peihang Xu, Mikhail Mamaev, Frank Corapi, Thomas Bilitewski, Jose P. D’Incao, Cora J. Fujiwara, Ana Maria Rey and Joseph H. Thywissen, 11 January 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-05405-6

The study was funded by the Air Force Office of Scientific Research, the Army Research Office, the National Science Foundation, the National Institute of Standards and Technology, and the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada.