Испытание новой теории квантовых систем, состоящих из многих частиц

Новые эксперименты с использованием захваченных одномерных квантовых газов соответствуют предсказаниям недавно разработанной теории обобщенной гидродинамики. График, показывающий изменение во времени импульсного распределения квазичастиц – свойства атомов в газах – в связке одномерных газов. Экспериментальные данные (красные линии) почти полностью совпадают с предсказаниями обобщенной теории гидродинамики (синие линии). Предоставлено: Лаборатория Вайса, штат Пенсильвания.

Результат может значительно упростить изучение квантовых систем, которые были возбуждены из состояния равновесия. Помимо своей фундаментальной важности, он может в конечном итоге стать источником информации для разработки квантовых технологий, включая квантовые компьютеры и симуляторы, квантовую связь и квантовые датчики.

Даже в рамках классической физики, где дополнительные сложности квантовой механики можно игнорировать, невозможно смоделировать движение всех атомов в движущейся жидкости. Чтобы аппроксимировать эти системы частиц, физики используют описания гидродинамики.

«Основная идея гидродинамики – забыть об атомах и рассматривать жидкость как континуум», – сказал Маркос Ригол, профессор физики Пенсильванского университета и один из руководителей исследовательской группы. «Чтобы моделировать жидкость, приходится писать связанные уравнения, которые возникают в результате наложения нескольких ограничений, таких как сохранение массы и энергии. Это те же типы уравнений, которые решаются, например, для моделирования потока воздуха, когда вы открываете окна для улучшения вентиляции в комнате ».

Материя становится более сложной, если задействована квантовая механика, как в случае, когда кто-то хочет моделировать квантовые системы многих тел, которые находятся вне равновесия.

«Квантовые системы многих тел, состоящие из множества взаимодействующих частиц, таких как атомы, лежат в основе атомной, ядерной физики и физики элементарных частиц», – сказал Дэвид Вайс, заслуженный профессор физики Пенсильванского университета и один из руководителей исследовательская группа. «Раньше считалось, что, за исключением крайних пределов, невозможно было выполнить вычисления для описания неравновесных квантовых систем многих тел. Это недавно изменилось ».

Изменение было мотивировано развитием теоретической основы, известной как обобщенная гидродинамика.

«Проблема с этими квантовыми системами многих тел в одном измерении заключается в том, что они имеют так много ограничений на свое движение, что обычные гидродинамические описания не могут быть использованы», – сказал Ригол. «Обобщенная гидродинамика была разработана для отслеживания всех этих ограничений».

До сих пор обобщенная гидродинамика была ранее экспериментально проверена только в условиях, когда сила взаимодействия между частицами была слабой.

«Мы решили проверить теорию дальше, изучив динамику одномерных газов с широким диапазоном сил взаимодействия», – сказал Вайс. «Эксперименты очень хорошо контролируются, поэтому результаты можно точно сравнить с предсказаниями этой теории.

Исследовательская группа использует одномерные газы взаимодействующих атомов, которые изначально заключены в очень мелкую ловушку в состоянии равновесия. Затем они очень внезапно увеличивают глубину ловушки в 100 раз, что заставляет частицы коллапсировать в центр ловушки, вызывая изменение их коллективных свойств. На протяжении всего обрушения команда точно измеряет их свойства, которые затем можно сравнить с предсказаниями обобщенной гидродинамики.

«Наши измерения совпали с предсказаниями теории по десяткам колебаний ловушек», – сказал Вайс. «В настоящее время нет других способов изучать неравновесные квантовые системы в течение длительных периодов времени с разумной точностью, особенно с большим количеством частиц. Обобщенная гидродинамика позволяет нам сделать это для некоторых систем, подобных той, которую мы тестировали, но насколько она применима в целом, еще предстоит определить ».