Els investigadors responen a la pregunta fonamental de la física quàntica


Els investigadors responen a la pregunta fonamental de la física quàntica

Representació esquemàtica de la dinàmica a través d’una transició de fase en un model bidimensional de spin-1/2. En l’estat paramagnètic inicial (inferior), els girs s’alineen amb la direcció del camp magnètic transversal. Una mesura de la configuració de gir en aquest estat al llarg de la direcció d’ordenació normalment donaria un patró aleatori de girs apuntant cap amunt (cons blaus) o cap avall (cons vermells). Després d’una rampa lenta a través d’un punt crític quàntic, el sistema desenvolupa una superposició quàntica de dominis ferromagnètics, que, en mesurar les configuracions de gir al llarg de la direcció d’ordenació, produirà normalment un col·lapse sobre un mosaic d’aquests dominis (a dalt). A la cara frontal, incloem el creixement de l’interval de correlació ferromagnètica en funció del temps t a partir de t = -τQ a mesura que la rampa avança pel règim crític amb el punt crític situat a t = 0. La longitud de curació ξˆ que determina la mida dels dominis en el mecanisme Kibble-Zurek (KZ) s’estableix en el temps característic ∣∣t∣GS supera la velocitat màxima del so rellevant, c, al sistema. Crèdit: Avenços de la Ciència (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abl6850

Un equip internacional de físics, amb la participació de la Universitat d’Augsburg, ha confirmat per primera vegada una important predicció teòrica en física quàntica. Els càlculs per a això són tan complexos que fins ara han demostrat ser massa exigents fins i tot per als superordinadors. Tanmateix, els investigadors van aconseguir simplificar-los considerablement mitjançant mètodes del camp de l’aprenentatge automàtic. L’estudi millora la comprensió dels principis fonamentals del món quàntic. Ha estat publicat a la revista Avenços de la Ciència.

El càlcul del moviment d’una sola bola de billar és relativament senzill. Tanmateix, predir les trajectòries d’una multitud de partícules de gas en un vaixell que xoquen constantment, s’alentiren i es desvien, és molt més difícil. Però, què passa si ni tan sols està gens clar amb quina rapidesa es mou cada partícula, de manera que tindrien innombrables velocitats possibles en un moment donat, que només difereixen en la seva probabilitat?

La situació és similar al món quàntic: les partícules mecàniques quàntiques fins i tot poden tenir totes les propietats potencialment possibles simultàniament. Això fa que l’espai d’estats dels sistemes de mecànica quàntica sigui extremadament gran. Si voleu simular com les partícules quàntiques interactuen entre elles, heu de considerar els seus espais d’estats complets.

“I això és extremadament complex”, diu el professor Dr. Markus Heyl de l’Institut de Física de la Universitat d’Augsburg. “L’esforç computacional augmenta exponencialment amb el nombre de partícules. Amb més de 40 partícules, ja és tan gran que fins i tot els superordinadors més ràpids no poden fer-hi front. Aquest és un dels grans reptes de física quàntica.”

Les xarxes neuronals fan que el problema sigui manejable

Per simplificar aquest problema, el grup de Heyl va utilitzar mètodes del camp de l’aprenentatge automàtic: artificials xarxes neuronals. Amb aquests, es pot reformular l’estat mecànic quàntic. “Això fa que sigui manejable per a ordinadors”, explica Heyl.

Mitjançant aquest mètode, els científics han investigat una predicció teòrica important que ha continuat sent un repte destacat fins ara: el mecanisme quàntic Kibble-Zurek. Descriu el comportament dinàmic dels sistemes físics en el que s’anomena a transició de fase quàntica. Un exemple de transició de fase des del món macroscòpic i més intuïtiu és la transició de l’aigua al gel. Un altre exemple és la desmagnetització d’un imant a altes temperatures.

Si aneu al revés i refredeu el material, l’imant es torna a formar per sota d’una determinada temperatura crítica. Tanmateix, això no passa de manera uniforme en tot el material. En canvi, es creen molts imants petits amb pols nord i sud alineats de manera diferent al mateix temps. Així, l’imant resultant és en realitat un mosaic de molts imants diferents i més petits. Els físics també diuen que conté defectes.

El mecanisme Kibble-Zurek prediu quants d’aquests defectes s’han d’esperar (és a dir, de quants mini-imants es compondrà el material). El que és especialment interessant és que el nombre d’aquests defectes és universal i, per tant, independent dels detalls microscòpics. En conseqüència, molts materials diferents es comporten de manera precisament idèntica, encara que la seva composició microscòpica sigui completament diferent.

El mecanisme Kibble-Zurek i la formació de galàxies després del Big Bang

El mecanisme Kibble-Zurek es va introduir originalment per explicar la formació de l’estructura a l’univers. Després del Big Bang, l’univers va ser inicialment completament homogeni, la qual cosa significa que la matèria allotjada es va distribuir de manera perfectament uniforme. Durant molt de temps no està clar com les galàxies, els sols o els planetes es podrien haver format a partir d’un estat tan homogeni.

En aquest context, el mecanisme Kibble-Zurek proporciona una explicació. A mesura que l’univers es refredava, els defectes es van desenvolupar de manera similar als imants. Mentrestant, aquests processos en el món macroscòpic són ben entès. Però hi ha un tipus de transició de fase per a la qual encara no ha estat possible verificar la validesa del mecanisme, és a dir, les transicions de fase quàntiques ja esmentades abans. “Només existeixen al punt de temperatura zero absolut de -273 graus centígrads”, explica Heyl. “Així que la transició de fase no es produeix durant el refredament, sinó a través de canvis en l’energia d’interacció; potser podríeu pensar en variar la pressió”.

Els científics han simulat ara una transició de fase quàntica en un superordinador. Així, van poder demostrar per primera vegada que el mecanisme Kibble-Zurek també s’aplica al món quàntic. “Aquesta no era en cap cas una conclusió òbvia”, diu el físic d’Augsburg. “El nostre estudi ens permet descriure millor la dinàmica del quàntic sistemes mecànics de moltes partícules i, per tant, per entendre amb més precisió les regles que regeixen aquest món exòtic”.


Nou pelatge per al gat quàntic: es descobreixen per primera vegada l’entrellat de molts àtoms


Més informació:
Markus Schmitt et al, Dinàmica de transició de fase quàntica en el model Ising de camp transversal bidimensional, Avenços de la Ciència (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abl6850

Impartit per la Universitat d’Augsburg

Citació: Els investigadors responen a la pregunta fonamental de la física quàntica (2022, 22 de setembre) recuperada el 22 de setembre de 2022 a https://phys.org/news/2022-09-fundamental-quantum-physics.html

Aquest document està subjecte a drets d’autor. A part de qualsevol tracte just amb finalitats d’estudi o investigació privats, no es pot reproduir cap part sense el permís per escrit. El contingut es proporciona només amb finalitats informatives.