At bryde horisonten:Universelle spredningslove bekræftet

De universelle love, der styrer dynamikken i interagerende kvantepartikler, er endnu ikke fuldt ud afsløret for det videnskabelige samfund. Et team af forskere ved Center for Teoretisk Fysik af Komplekse Systemer (PCS), inden for Institute for Basic Science (IBS i Daejeon, Sydkorea) har foreslået at bruge en innovativ værktøjskasse, der gør dem i stand til at opnå simuleringsdata svarende til 60 års eksperimentel tid. Ved at udvide beregningshorisonten fra én dag til hidtil usete tidsskalaer, IBS-forskerne var i stand til at bekræfte, at en sky af kvantepartikler fortsætter med at sprede sig, selv når partikel til partikel interaktioner, oprindeligt anset for at være aktivatoren af ​​spredningen, udøve næsten ingen styrke. Deres resultater blev offentliggjort online den 30. januar 2019 kl Fysisk gennemgangsbreve .

Værket beskæftiger sig med to af de mest fundamentale fænomener i kondenseret stof:interaktion og uorden. Tænk på ultrakolde atomare gasser. Et atom fra gassen er en kvantepartikel, og dermed også en kvantebølge, som har både amplitude og fase. Når sådanne kvantepartikler, dvs. at bølger ikke forplanter sig i et uordnet medium, de bliver fanget og går helt i stå. Denne destruktive interferens af udbredende bølger er Anderson lokalisering.

Mikroskopiske partikler, beskrevet af kvantemekanik, interagere, når de nærmer sig hinanden. Tilstedeværelsen af ​​interaktion, i hvert fald i starten, ødelægger lokalisering i en sky af kvantepartikler, og tillader skyen at undslippe og smøre ud, dog meget langsomt og subdiffusivt. Når atomer interagerer (kolliderer), udveksler de ikke kun energi og momentum, men ændre også deres faser. Interaktionen ødelægger regelmæssige bølgemønstre, fører til tab af faseinformationen. Som tiden går breder skyen sig og tynder ud.

Varme debatter i det sidste årti har været viet til spørgsmålet om, hvorvidt processen vil stoppe, fordi den effektive styrke af interaktion bliver for lav, eller ikke. Eksperimenter med Bose-Einstein-kondensater af ultrakolde kaliumatomer er blevet udført i op til 10 sekunder, mens forskere prøver hårdt på at holde atomgassen stabil. Numeriske beregninger blev udført i en ækvivalent af en dag. Bemærkelsesværdigt teoretisk beregningsfysik befandt sig allerede i en unik situation for at være langt bedre end eksperimenter!

Holdet af IBS-forskere, ledet af Sergej Flach, besluttede at give skydynamikken en ny hård numerisk test og at udvide beregningshorisonten fra en dag til 60 år i eksperimentel tidsækvivalent. Den største udfordring er det langsomme tempo i processen:man skal simulere skyens dynamik i lang tid for at se væsentlige ændringer. Det nye mål var at udvide de tidligere rekorder drastisk, med en faktor på mindst ti tusind, og samtidig udvikle en ny tilgang til hurtige simuleringer af beregningshårde fysiske modeller.

Forskerholdet observerede subdiffusive skyer, der spredte sig op til de undersøgte rekordtidsskalaer. Nøglen til succesen var brugen af ​​såkaldte Discrete Time Quantum Walks - teoretiske og eksperimentelle platforme til kvanteberegninger. Deres unikke egenskab er, at tiden ikke flyder kontinuerligt, men stiger brat, bliver en af ​​de vigtigste speedup-faktorer. Adskillige yderligere tekniske værktøjer blev brugt til at realisere de nye rekordtider:massive supercomputere fra IBS, program optimering, og brugen af ​​klynger af grafiske behandlingsenheder (GPU).

Resultaterne af holdet stiller komplicerede nye spørgsmål om forståelsen af ​​samspillet mellem interaktion og lidelse. IBS-PCS forskere fortsætter med at arbejde på forskellige aspekter af problemet, ved hjælp af værktøjer, herunder Diskrete Tid Quantum Walks. "Vi bruger i øjeblikket den samme teknik til at knække flere andre langvarige problemer, der kræver nye beregningsmæssige tilgange og beføjelser", siger Ihor Vakulchyk—Ph.D. studerende af forskerholdet. Den foreslåede værktøjskasse åbner tilsyneladende ubegrænsede muligheder for det nye felt af kvantemodellering og optimering af computermodeller i fysik.