FISICA DE MUCHOS CUERPOS CON SIMULADORES CUANTICOS ATOMICOS - TEORIA

Los gases de átomos neutros constituyen plataformas extremadamente potentes para el estudio de física cuántica de muchos cuerpos. Materializan la visión de Feynman de un simulador cuántico: un ordenador cuántico analógico que permite resolver problemas fuera del alcance de los supercomputadore clásicos,
y para los cuales proporciona una ventaja cuántica práctica. Además, dichos gases pueden utilizarse para dar realidad a fases cuánticas exóticas de muchos cuerpos que, a pesar de haberse propuesto hace décadas en diversos contextos de la física, son muy difíciles, si no imposibles, de realizar. Más allá de su interés intrínseco en física fundamental, dichas fases pueden tener aplicaciones concretas en el campo de las tecnologías cuánticas.

Cada una de las distintas plataformas de átomos neutros demostradas experimentalmente hasta la fecha gases cuánticos con interacciones controlables en el continuo, átomos en redes ópticas, y matrices de átomos excitados a estados de Rydberg - tiene sus puntos fuertes y débiles. Esto impide
abordar todos los modelos de interés en uno único sistema. En MAPS (Many-body physics with atomic quantum simulators), superaremos esta limitación adoptando un enfoque holístico y utilizando simultáneamente las tres plataformas para abordar direcciones de investigación de frontera. Nos
centraremos en la realización de fases de muchos cuerpos que no han podido realizarse hasta ahora, persiguiendo los siguientes objetivos:

I. Nuevas fases con condensados de Bose-Einstein con acoplo espín-órbita. Utilizaremos condensados de Bose-Einstein con acoplo espín-órbita con interacciones sintonizables para diseñar nuevas fases supersólidas - estados exóticos de la materia que desarrollan espontáneamente una estructura cristalina sin dejar de ser superfluidos - y estudiar sus propiedades. Confinando dichos sistemas en una red óptica, crearemos sistemas unidimensionales con excitaciones anyónicas.

II. Magnetismo cuántico no convencional en los modelos de Bose y Fermi Hubbard. Realizaremos modelos de Hubbard - hamiltonianos modelo para materiales fuertemente correlacionados utilizando átomos bosónicos y fermiónicos ultrafríos en redes ópticas, e investigaremos rutas novedosas para
diseñar fases magnéticas cuánticas no convencionales. En concreto, exploraremos dos nuevos esquemas para realizar líquidos de espín cuánticos con átomos bosónicos en redes ópticas y nos centraremos en la investigación de nuevos órdenes magnéticos en gases de Fermi multicomponente con interacciones de simetría SU(N).

III. Simulación cuántica de teorías gauge en el retículo más allá de una dimensión. Trabajaremos para ampliar el ámbito de la simulación cuántica de la materia condensada a la física de altas energías. Diseñaremos protocolos viables, codificaciones optimizadas y construiremos una nueva plataforma experimental basada en átomos de Rydberg para simular teorías gauge en el retículo. Nuestro objetivo será realizar un experimento de prueba de concepto de simulación cuántica de una teoría de gauge en el retículo bidimensional al final del proyecto.

La originalidad de nuestro enfoque radica en el co-diseño teoría/experimento y en las rutas específicas que tomaremos para alcanzar los objetivos. Gracias a la coordinación, esperamos dar un salto cualitativo en la realización de fases cuánticas no convencionales y formar una nueva generación de jóvenes investigadores con competencias teórico-experimentales más equilibradas.