Στην κβαντική φυσική, όπου τα σωματίδια μπορούν να υπάρχουν σε πολλαπλές καταστάσεις ταυτόχρονα και περιγράφονται από πεδία που καταλαμβάνουν ολόκληρο τον χωροχρόνο, βρίσκεται σε εξέλιξη μια πρωτοποριακή επανάσταση. Η πρόοδος σε πειράματα με υπερψυχρά άτομα έχει ανοίξει ένα νέο δρόμο προς την προσομοίωση των κβαντικών πεδίων, προσφέροντας καινούρια γνώση σχετικά με τα μυστήρια του κβαντικού κόσμου. Πειράματα που διεξήχθησαν πρόσφατα στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο της Βιέννης [1,2] σε συνεργασία με μια διεθνή ομάδα θεωρητικών φυσικών, μεταξύ των οποίων και ο Σπύρος Σωτηριάδης, επίκουρος καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Κρήτης, ανέδειξαν την αξιοσημείωτη ικανότητα των αερίων υπερψυχρών ατόμων να προσομοιάζουν δύο φυσικά φαινόμενα που προβλέπονται από την κβαντική θεωρία πεδίων και τη γενική σχετικότητα: μια παράδοξη ιδιότητα της κβαντικής πληροφορίας γνωστή ως "νόμος του εμβαδού" και την κάμψη των τροχιών του φωτός όταν ταξιδεύει μέσα σε καμπύλο χωροχρόνο.
Η επανάσταση των πειραμάτων με υπερψυχρά άτομα
Κρίσιμο ρόλο σε αυτά τα πρωτοποριακά πειραμάτα παίζει η δυνατότητα ακριβούς έλεγχου των υπερψυχρών ατόμων, μιας κατάστασης της ύλης όπου τα άτομα ψύχονται σε θερμοκρασίες μόλις ένα κλάσμα πάνω από το απόλυτο μηδέν. Αυτή η ακραία ψύξη επιβραδύνει τα άτομα, φέρνοντάς τα σε μια σχεδόν ακίνητη κατάσταση και επιτρέποντας την παρατήρηση εκπληκτικών κβαντικών φαινομένων. Αξιοποιώντας τις ιδιότητες των συστημάτων υπερψυχρών ατόμων, οι επιστήμονες έχουν καταφέρει να τα χρησιμοποιήσουν ως κβαντικούς προσομοιωτές ικανούς να μιμηθούν τη συμπεριφορά των κβαντικών πεδίων.
Κβαντική θεωρία πεδίου: η θεωρητική γλώσσα της σωματιδιακής φυσικής
Η κβαντική θεωρία πεδίου είναι ένα θεωρητικό πλαίσιο που συνδυάζει την κβαντομηχανική και την ειδική σχετικότητα για να περιγράψει τη συμπεριφορά των θεμελιωδών σωματιδίων και των αλληλεπιδράσεών τους. Παρέχει έναν μαθηματικό φορμαλισμό για την κατανόηση της κβαντικής φύσης των πεδίων, τα οποία εξαπλώνονται σε ολόκληρο το σύμπαν και μπορούν να θεωρηθούν ως συνεχείς διακυμάνσεις που ορίζονται σε κάθε σημείο του χώρου και του χρόνου. Η κβαντική θεωρία πεδίου παίζει κεντρικό ρόλο στη θεωρητική φυσική, τη σωματιδιακή φυσική και την ανάπτυξη της τρέχουσας αντίληψης του φυσικού κόσμου.
Ο παράδοξος "νόμος του εμβαδού" της κβαντικής πληροφορίας
Στο πλαίσιο της κβαντικής θεωρίας, ο όρος "νόμος του εμβαδού" αναφέρεται σε μια συγκεκριμένη συμπεριφορά της εντροπίας κβαντικής διεμπλοκής ή της αμοιβαίας πληροφορίας, που αποτελούν μέτρα του πληροφοριακού περιεχομένου των κβαντικών συστημάτων. Ο νόμος του εμβαδού δηλώνει ότι σε πολλές φυσικά ενδιαφέρουσες περιπτώσεις, η εντροπία κβαντικής διεμπλοκής ή η αμοιβαία πληροφορία μεταξύ δύο χωρικά διαχωρισμένων περιοχών ενός κβαντικού συστήματος τείνει να αυξάνεται ανάλογα με το εμβαδόν της επιφάνειας του συνόρου τους. Αυτή η συμπεριφορά έρχεται σε αντίθεση με τον "νόμο του όγκου" όπου η κβαντική διεμπλοκή ή η αμοιβαία πληροφορία αυξάνονται ανάλογα με τον όγκο των περιοχών. Ο νόμος του εμβαδού υποδηλώνει ότι η διεμπλοκή ή το περιεχόμενο πληροφορίας αντίστοιχα ενός κβαντικού συστήματος επηρεάζεται κατά κύριο λόγο από τις αλληλεπιδράσεις των σωματιδίων ή πεδίων που λαμβάνουν χώρα κοντά στη διεπιφάνεια των περιοχών και όχι σε ολόκληρο τον όγκο τους, και έχει βαθιές επιπτώσεις στη μελέτη της κβαντικής πληροφορίας, της κβαντικής θεωρίας πεδίων και της φυσικής συμπυκνωμένης ύλης. Επίσης, αποτελεί τον λόγο για τον οποίο ορισμένοι αλγόριθμοι προσομοίωσης κβαντικών συστημάτων είναι αποτελεσματικοί σε συνήθεις υπολογιστές.
Καμπύλωση της τροχιάς του φωτός
Στη γενική σχετικότητα, η γεωμετρία του χωροχρόνου καμπυλώνεται υπό την επίδραση σωμάτων με μάζα. Αυτή η καμπυλότητα του χωροχρόνου οδηγεί στο φαινόμενο της καμπύλωσης του φωτός, κατά το οποίο οι τροχιές των ακτίνων φωτός μεταβάλλονται καθώς αυτές διέρχονται από περιοχές με ισχυρά βαρυτικά πεδία. Καθώς το φως ακολουθεί τις καμπυλωμένες γεωδαισιακές γραμμές του χωροχρόνου, φαίνεται να εκτρέπεται από την ευθεία τροχιά του, αναδεικνύοντας την περίπλοκη αλληλεπίδραση μεταξύ της βαρύτητας και της διάδοσης του φωτός. Αυτό το συναρπαστικό φαινόμενο, όχι μόνο αποτελεί απόδειξη της θεωρίας της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν, αλλά έχει επίσης επιτρέπει στους αστρονόμους να αντλούν στοιχεία για μακρινά ουράνια αντικείμενα, αποκαλύπτοντας τα μυστικά του σύμπαντος.
Υπερψυχρά ατομικά αέρια ως προσομοιωτές κβαντικών πεδίων
Μέσω ευφυών πειραματικών τεχνικών, οι επιστήμονες έχουν πλέον κατασκευάσει συστήματα υπερψυχρών ατόμων που παρουσιάζουν εντυπωσιακούς παραλληλισμούς με αυτά τα δύο φαινόμενα που συναντώνται στην κβαντική θεωρία πεδίου. Η συλλογική συμπεριφορά αυτών των συστημάτων πολλών ατόμων, γνωστών ως "κβαντικά αέρια", περιγράφεται ουσιαστικά από μοντέλα της κβαντικής θεωρίας πεδίου. Παράμετροι του κβαντικού πεδίου, όπως η μάζα των σωματιδίων και η ταχύτητα του φωτός, συνδέονται με χαρακτηριστικά του αερίου, όπως η χωρική έκταση των ατομικών συσχετίσεων και η ταχύτητα διάδοσης της πληροφορίας, αντίστοιχα. Ομοίως, το εξωτερικά ελεγχόμενο δυναμικό που περιορίζει χωρικά το αέριο μπορεί να μορφοποιηθεί έτσι ώστε να μιμηθεί την επίδραση της βαρύτητας στη γεωμετρία του χωροχρόνου, όπως αυτή γίνεται αισθητή από τα φωτόνια στη γενική σχετικότητα. Εκτελώντας προσεκτικές μετρήσεις σε αυτά τα συστήματα, οι ερευνητές παρατήρησαν με επιτυχία φαινόμενα ανάλογα του “νόμου του εμβαδού” για την αμοιβαία πληροφορία και της καμπύλωσης των τροχιών του φωτός σε καμπυλωμένη γεωμετρία. Αυτά τα συναρπαστικά φαινόμενα που περιορίζονταν κάποτε στη σφαίρα των θεωρητικών προβλέψεων ή των αστρονομικών παρατηρήσεων, μπορούν πλέον να μελετηθούν στο ελεγχόμενο περιβάλλον των πειραμάτων με υπερψυχρά άτομα.
Οι επιπτώσεις αυτών των επιτευγμάτων εκτείνονται πολύ πέρα από το εργαστήριο. Αξιοποιώντας τις κβαντικές προσομοιώσεις με βάση τα υπερψυχρά άτομα, οι ερευνητές μπορούν να αποκαλύψουν θεμελιώδεις πληροφορίες σχετικά με τη συμπεριφορά των κβαντικών πεδίων και των σωματιδίων. Η γνώση αυτή έχει τη δυνατότητα να φέρει επανάσταση σε τομείς όπως η επιστήμη των υλικών, η κβαντική πληροφορική και η φυσική υψηλών ενεργειών. Επιπλέον, μας επιτρέπει να εξερευνήσουμε και να κατανοήσουμε εξωτικά φυσικά φαινόμενα, ανοίγοντας το δρόμο για καινοτομίες στην τεχνολογία και την κατανόηση των περίπλοκων διαδικασιών που λαμβάνουν χώρα στο σύμπαν.
Αναφορές:
[1] Experimental Observation of Curved Light-Cones in a Quantum Field Simulator, M. Tajik, M. Gluza, N. Sebe, P. Schüttelkopf, F. Cataldini, J. Sabino, F. Møller, S.-C. Ji, S. Erne, G. Guarnieri, S. Sotiriadis, J. Eisert, J. Schmiedmayer, PNAS 120, e2301287120 (2023) https://doi.org/10.1073/pnas.2301287120
[2] Verification of the Area Law of Mutual Information in a Quantum Field Simulator, M. Tajik, I. Kukuljan, S. Sotiriadis, B. Rauer, T. Schweigler, F. Cataldini, J. Sabino, F. Møller, P. Schüttelkopf, S.-C. Ji, D. Sels, E. Demler, J. Schmiedmayer, Nat. Phys. (2023). https://doi.org/10.1038/s41567-023-02027-1
