För de flesta vardagliga upplevelser, som att cykla, använder ett lyft eller fångar en boll, klassisk (Newtonsk) mekanik är helt korrekt.

Dock, på atomär och subatomär skala Naturen beskrivs av kvantmekanik, formulerad för omkring 100 år sedan och berömt kännetecknas av teoretiska fysikern Richard Feynman när han sa:"Jag tror att jag med säkerhet kan säga att ingen förstår kvantmekanik".

Än idag förstår dynamiken i kvantmekaniska system som består av ett stort antal interagerande partiklar ett av de svåraste problemen inom fysiken.

För att hantera denna utmaning, ett tvärvetenskapligt forskningssamarbete mellan kvantinformationsteoretiker från Swansea University's Physics Department har utvecklat ett nytt protokoll för kvantsimulering.

I deras teoristudie, publicerad i Fysisk granskning X , högenergifysikern professor Gert Aarts tillsammans med Dr Markus Müller och Alejandro Bermudez föreslår att använda kalla atomer som kontrollerbara kvantsensorer för att experimentellt få tillgång till nyckelegenskaper hos interaktiva kvantfältsteorier. Resultaten kan belysa svåra, öppna frågor inom kondenserad materia och högenergifysik.

Kvantfältteori ger ett sammanhållande språk som beskriver en mängd olika system i naturen över många energiskalor, allt från ultrakalla atomer i laboratoriet till de mest energiska partiklarna vid Large Hadron Collider.

Alejandro Bermudez sa:"En hörnsten i kvantefältteorin är den så kallade genererande funktionen, från vilken alla korrelationer mellan partiklar kan härledas." Professor Aarts tillade:"Vanligtvis betraktas detta som ett matematiskt verktyg som snyggt komprimerar all relevant information om kvantfältteorin till en enda, lite abstrakt, kvantitet."

I det här arbetet, teamet visar hur den genererande funktionen faktiskt kan mätas i labbet, med hjälp av strängar av instängda laserkylda joner.

Nyckeltanken med det nya schemat är att kartlägga informationen om genereringsfunktionen till en samling intrasslade kvantsensorer, kodade i jonernas elektroniska tillstånd.

"Dessa kvantsensorer kopplas sedan med en sekvens av exakt tidsinställda pulser till kvantfältet, ungefär som tangenterna på ett piano, som måste tryckas på vid olika tidpunkter för att producera en melodi ", förklarar Müller. "Denna melodi - motsvarande den experimentella interferometriska mätsignalen - innehåller relevant information om kvantfältteorin av intresse."

Resultaten utgör ett viktigt steg i det bredare ämnet kvantsimuleringar, som syftar till att förstå problem inom kvantmångkroppsfysik med hjälp av experimentella system som kan manipuleras exakt för att representera den kvantfältteorin som undersöks.

Kvantsensorer för genereringsfunktion av interaktiva kvantfältsteorier. A. Bermudez, G. Aarts, och M. Müller publiceras i Fysisk granskning X .