Определена скорость распространения корреляций в многочастичной квантовой системе

27 января 2012 г., 19:58

Команда исследователей разработала средства для наблюдения скорости, с которой корреляции могут распространяться в оптической решетке. Эксперимент, выполненный в Институте квантовой оптики Макса Планка, был первой демонстрацией метода, который может быть использован для измерения скорости их распространения.

В релятивисткой квантовой теории поля распространение сигнала ограничивается скоростью света в вакууме. Такого предела не существует в нерелятивистском случае, хотя в реальных физических системах с близкодействием можно ожидать, что скорость распространение сигнала ограничена. Вопрос, как быстро корреляции могут распространяться в многочастичной квантовой системе, изучался давно. Существование максимальной скорости распространения сигнала, известной как граница Либа-Робинсона (Lieb–Robinson bound), показано теоретически для нескольких многочастичных систем с локальным взаимодействием – такие системы могут рассматриваться как имеющие эффективный световой конус, который ограничивает скорость распространения корреляций. Существование такой своеобразной «скорости света» имеет чрезвычайно важное значение в физике конденсированного состояния и квантовой информатике, но еще не наблюдалось экспериментально.

Для определения ее величины исследователи спланировали эксперимент, который имел минимальное число переменных. Они выбрали одномерный квантовый газ атомов, захваченных оптической решеткой.Для ее формирования использовались два встречных лазерных пучка, которые охладили атомы и локализовали их в потенциальных ямах.

Затем очень быстро перенастроив лазеры, они смогли создать так называемую замороженную неравновесную систему (quenched system), в которой существовали возбуждения (квазичастицы). Эти квазичастицы могли перемещаться в решетке. Далее, измеряя расстояние, которое прошли квазичастицы за определенный отрезок времени, они смогли вычислить скорость, с которой они перемещались в решетке. Таким образом, впервые была выполнена количественная оценка границы Либа-Робинсона в эксперименте.

Результат, конечно, не является универсальной константой, подобной скорости света. В других материалах эта скорость может быть иной. Достижение может оказать сильное влияние на разработку эффективных квантовых каналов и способствовать созданию квантовых компьютеров.