Forskere svarer på grunnleggende spørsmål om kvantefysikk

Forskere svarer på grunnleggende spørsmål om kvantefysikk

Skjematisk skildring av dynamikken over en faseovergang i en todimensjonal spin-1/2 modell. I den innledende paramagnetiske tilstanden (nederst) er spinnene på linje med retningen til det tverrgående magnetfeltet. En måling av spinnkonfigurasjonen i den tilstanden langs bestillingsretningen vil da typisk gi et tilfeldig mønster av spinn som peker opp (blå kjegler) eller ned (røde kjegler). Etter en langsom rampe over et kvantekritisk punkt, utvikler systemet en kvantesuperposisjon av ferromagnetiske domener, som ved måling av spinnkonfigurasjoner langs bestillingsretningen typisk vil gi en kollaps på en mosaikk av slike domener (øverst). På forsiden inkluderer vi veksten av det ferromagnetiske korrelasjonsområdet som en funksjon av tiden t fra t = −τQ etter hvert som rampen skrider frem over det kritiske regimet med det kritiske punktet lokalisert ved t = 0. Tilhelingslengden ξˆ som bestemmer størrelsen på domenene i Kibble-Zurek (KZ) mekanismen settes til det karakteristiske tidspunktet ∣∣t∣GS overskrider maksimal hastighet for den aktuelle lyden, c, i systemet. Kreditt: Vitenskapens fremskritt (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abl6850

Et internasjonalt team av fysikere, med deltagelse av Universitetet i Augsburg, har for første gang bekreftet en viktig teoretisk prediksjon innen kvantefysikk. Beregningene for dette er så komplekse at de til nå har vist seg for krevende selv for superdatamaskiner. Forskerne lyktes imidlertid med å forenkle dem betraktelig ved hjelp av metoder fra maskinlæringsfeltet. Studien forbedrer forståelsen av grunnleggende prinsipper i kvanteverdenen. Den har blitt publisert i tidsskriftet Vitenskapens fremskritt.

Beregningen av bevegelsen til en enkelt biljardball er relativt enkel. Det er imidlertid mye vanskeligere å forutsi banene til en mengde gasspartikler i et fartøy som konstant kolliderer, blir bremset og avbøyd. Men hva om det ikke engang er klart nøyaktig hvor raskt hver partikkel beveger seg, slik at de ville ha utallige mulige hastigheter til enhver tid, bare forskjellig i sannsynlighet?

Situasjonen er lik i kvanteverdenen: Kvantemekaniske partikler kan til og med ha alle potensielt mulige egenskaper samtidig. Dette gjør tilstandsrommet til kvantemekaniske systemer ekstremt stort. Hvis du har som mål å simulere hvordan kvantepartikler samhandler med hverandre, må du vurdere deres fullstendige tilstandsrom.

“Og det er ekstremt komplekst,” sier prof. Dr. Markus Heyl fra Institutt for fysikk ved Universitetet i Augsburg. “Beregningsinnsatsen øker eksponentielt med antall partikler. Med mer enn 40 partikler er den allerede så stor at selv de raskeste superdatamaskinene ikke klarer å takle det. Dette er en av kvantefysikkens store utfordringer.”

Nevrale nettverk gjør problemet håndterbart

For å forenkle dette problemet brukte Heyls gruppe metoder fra feltet maskinlæring – kunstige nevrale nettverk. Med disse kan den kvantemekaniske tilstanden omformuleres. “Dette gjør det håndterbart for datamaskiner,” forklarer Heyl.

Ved å bruke denne metoden har forskerne undersøkt en viktig teoretisk prediksjon som har vært en enestående utfordring så langt – kvante-Kibble-Zurek-mekanismen. Den beskriver den dynamiske oppførselen til fysiske systemer ved det som kalles en kvantefaseovergang. Et eksempel på en faseovergang fra den makroskopiske og mer intuitive verden er overgangen fra vann til is. Et annet eksempel er avmagnetisering av en magnet ved høye temperaturer.

Hvis du går den andre veien rundt og avkjøler materialet, begynner magneten å dannes igjen under en viss kritisk temperatur. Dette skjer imidlertid ikke jevnt over hele materialet. I stedet lages mange små magneter med ulikt justerte nord- og sørpoler samtidig. Dermed er den resulterende magneten faktisk en mosaikk av mange forskjellige, mindre magneter. Fysikere sier også at den inneholder defekter.

Kibble-Zurek-mekanismen forutsier hvor mange av disse defektene som kan forventes (med andre ord hvor mange minimagneter materialet til slutt vil bestå av). Det som er spesielt interessant er at antallet av disse defektene er universelle og dermed uavhengige av mikroskopiske detaljer. Følgelig oppfører mange forskjellige materialer seg nøyaktig identisk, selv om deres mikroskopiske sammensetning er helt annerledes.

Kibble-Zurek-mekanismen og dannelsen av galakser etter Big Bang

Kibble-Zurek-mekanismen ble opprinnelig introdusert for å forklare dannelsen av struktur i universet. Etter Big Bang var universet i utgangspunktet fullstendig homogent, noe som betyr at den vertsbaserte materien ble fordelt perfekt jevnt. I lang tid har det vært uklart hvordan galakser, soler eller planeter kunne ha dannet seg fra en så homogen tilstand.

I denne sammenheng gir Kibble-Zurek-mekanismen en forklaring. Mens universet ble avkjølt, utviklet defekter seg på en lignende måte som magneter. I mellomtiden er disse prosessene i den makroskopiske verden godt forstått. Men det er én type faseovergang som det ennå ikke har vært mulig å verifisere gyldigheten av mekanismen for – nemlig kvantefaseovergangene som allerede er nevnt før. “De eksisterer bare ved det absolutte nulltemperaturpunktet på -273 grader Celsius,” forklarer Heyl. “Så faseovergangen finner ikke sted under avkjøling, men gjennom endringer i interaksjonsenergien – du kan kanskje tenke på å variere trykket.”

Forskerne har nå simulert en slik kvantefaseovergang på en superdatamaskin. De kunne dermed for første gang vise at Kibble-Zurek-mekanismen også gjelder i kvanteverdenen. “Det var på ingen måte en åpenbar konklusjon,” sier Augsburg-fysikeren. “Vår studie lar oss bedre beskrive dynamikken til kvantemekaniske systemer til mange partikler og dermed forstå mer presist reglene som styrer denne eksotiske verden.”


Ny pels for kvantekatten: Sammenfiltring av mange atomer oppdaget for første gang


Mer informasjon:
Markus Schmitt et al, Kvantefaseovergangsdynamikk i den todimensjonale tverrfelt Ising-modellen, Vitenskapens fremskritt (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abl6850

Levert av Universität Augsburg

Sitering: Forskere svarer på grunnleggende spørsmål om kvantefysikk (2022, 22. september) hentet 22. september 2022 fra https://phys.org/news/2022-09-fundamental-quantum-physics.html

Dette dokumentet er underlagt opphavsrett. Bortsett fra enhver rettferdig handel for formålet med private studier eller forskning, kan ingen del reproduseres uten skriftlig tillatelse. Innholdet er kun gitt for informasjonsformål.

Leave a Comment