Gravitationsvendinger hjælper teoretiske fysikere med at kaste lys over kvantekompleksitet

Lever vi i en computersimulering? Spændende nok, kernen i dette spørgsmål kan gemme sig i et eksotisk kvantefænomen, der dukker op i metaller som et svar på vridninger af rum-tids geometri.

Et tilbagevendende tema i science fiction, mest berømt populariseret af "Matrix" filmtrilogien, er, om vores fysiske virkelighed er en computersimulering. Selvom dette synes at være en ret filosofisk idé, i teoretisk fysik har det et interessant twist, når det anvendes på computersimuleringer af komplekse kvantesystemer.

Hvordan kan man overhovedet forsøge at give et svar på dette spørgsmål? I ny forskning offentliggjort i Videnskab fremskridt magasin, et team af teoretiske fysikere fra University of Oxford og det hebraiske universitet, kan have fundet en måde at nærme sig dette svar på.

Mens jeg forsøgte at adressere en computersimulering af et kvantefænomen, der forekommer i metaller, forskerne, Zohar Ringel og Dmitry Kovrizhin, fundet bevis på, at en sådan simulering principielt er umulig. Mere præcist, de viste, hvordan kompleksiteten af ​​denne simulering, - der kan måles i et antal processortimer hukommelsesstørrelse, og elregninger, - stigninger i takt med antallet af partikler, man skulle simulere.

Hvis mængden af ​​beregningsressourcer, der kræves til en kvantsimulering, stiger langsomt (f.eks. Lineært) med antallet af partikler i systemet, så skal man fordoble et antal processorer, hukommelse, osv. for at kunne simulere et system dobbelt så stort på samme tid. Men hvis væksten er eksponentiel, eller med andre ord, hvis man for hver ekstra partikel skal fordoble antallet af processorer, hukommelse, etc., så bliver denne opgave umulig. Bemærk, at selv bare for at gemme oplysningerne om et par hundrede elektroner på en computer ville man kræve en hukommelse bygget af flere atomer, end der er i universet.

Forskerne identificerede et bestemt fysisk fænomen, der ikke kan fanges af nogen lokal kvante:Monte-Carlo-simulering. Det er en mærkelig effekt, som har været kendt i årtier, men er kun nogensinde blevet målt indirekte. Inden for kondenseret fysik, det kaldes "termisk Hall-konduktans", og i højenergifysik er det kendt som en "gravitationsanomali".

I klare ord, termisk Hall -konduktans indebærer en generation af energistrømme i retningen på tværs af enten temperaturgradient, eller et twist i rumtidens underliggende geometri. Mange fysiske systemer i høje magnetfelter og ved meget lave temperaturer menes at udvise denne effekt. Interessant nok har sådanne kvantesystemer unddraget sig effektive numeriske simuleringsalgoritmer i årtier.

I deres arbejde, teoretikerne viste, at for systemer, der udviser gravitationsanomalier, vil de mængder, der er involveret i kvante Monte-Carlo-simuleringer, få et negativt tegn eller blive komplekse. Dette ødelægger effektiviteten af ​​Monte-Carlo-tilgangen gennem det, der er kendt som "tegnproblemet". At finde en løsning på "tegnproblemet" ville muliggøre store kvantesimuleringer, så beviset på at dette problem ikke kan løses for nogle systemer, er en vigtig.

'Vores arbejde giver en spændende forbindelse mellem to tilsyneladende ikke -relaterede emner:tyngdekraftsanomalier og beregningskompleksitet. Det viser også, at den termiske Hall -konduktans er en ægte kvanteeffekt:en for hvilken der ikke findes nogen lokal klassisk analog ', siger Zohar Ringel, professor ved hebraisk universitet, og medforfatter af papiret.

Dette arbejde bringer også et betryggende budskab til teoretiske fysikere. Det siges ofte i samfundet, at maskiner træder i stedet for mennesker, og vil i sidste ende overtage menneskelige job. For eksempel, i tilfælde af at nogen, for eksempel, skaber en computer, der er stærk nok til at simulere alle egenskaber ved store kvante systemer, i løbet af et øjeblik. Klart appellen om at ansætte en teoretisk fysiker til at udføre nøjagtigt det samme job (med overvejelser i forhold til kontorlokaler, rejsepenge, pension osv.) ville blive stærkt reduceret.

Men, skal teoretiske fysikere være bekymret over denne mulighed? På den lyse side, der er mange vigtige og interessante kvantesystemer, nogle relateret til høj temperatur superledning, og andre relateret til topologisk kvanteberegning, for hvilke der ikke kendes effektive simuleringsalgoritmer. På den anden side, måske venter sådanne algoritmer bare på at blive opdaget? Professor Ringel og Kovrizhin hævder, at når det kommer til en fysisk vigtig delmængde af komplekse kvantedata, en klasse af algoritmer lige så bred som Monte-Carlo-algoritmer, ikke kan overliste os og sandsynligvis ikke i den nærmeste fremtid.

I forbindelse med det oprindelige spørgsmål om, hvorvidt vores opfattede virkelighed virkelig bare er en del af et fremskreden fremmed eksperiment, dette arbejde kan give nogle af os ekstra tryghed.