Hvordan supercomputere hjælper os med at koble kvanteindvikling til kold kaffe

Teoretiske fysikere fra Trinity College Dublin har fundet en dyb forbindelse mellem et af de mest slående træk ved kvantemekanikken - kvanteindvikling - og termisering, som er den proces, hvor noget kommer i termisk ligevægt med sine omgivelser.

Deres resultater offentliggøres i dag [fredag ​​31. januar 2020] i det prestigefyldte tidsskrift Fysisk gennemgangsbreve .

Vi kender alle til termalisering - tænk bare på, hvordan din kaffe når stuetemperatur over tid. Kvantforvikling er derimod en anden historie.

Alligevel arbejde udført af Marlon Brenes, Ph.d. Kandidat, og professor John Goold fra Trinity, i samarbejde med Silvia Pappalardi og professor Alessandro Silva ved SISSA i Italien, viser, hvordan de to er uløseligt forbundet.

Forklarer betydningen af ​​opdagelsen, Professor Goold, leder af Trinity's QuSys -gruppe, forklarer:

"Quantum entanglement er et kontraintuitivt træk ved kvantemekanik, som gør det muligt for partikler, der har interageret med hinanden på et eller andet tidspunkt, at blive korreleret på en måde, der ikke er klassisk mulig. Målinger på den ene partikel påvirker resultaterne af målinger af den anden - selvom de er lysår fra hinanden. Einstein kaldte denne effekt for 'uhyggelig handling på afstand'. "

"Det viser sig, at sammenfiltring ikke bare er uhyggelig, men faktisk allestedsnærværende og i virkeligheden er det, der er endnu mere fantastisk, er, at vi lever i en tid, hvor teknologien begynder at udnytte denne funktion til at udføre bedrifter, som man troede var umulige bare et antal år go. Disse kvanteteknologier udvikles hurtigt i den private sektor, hvor virksomheder som Google og IBM leder løbet. "

Men hvad har alt dette at gøre med kold kaffe?

Professor Goold uddyber:"Når du tilbereder en kop kaffe og lader den stå et stykke tid, vil den afkøle, indtil den når temperaturen i omgivelserne. Dette er termalisering. I fysikken siger vi, at processen er irreversibel - som vi kender, vores en gang varme kaffe vil ikke køle ned og derefter magisk varme op igen. Hvordan irreversibilitet og termisk adfærd opstår i fysiske systemer er noget, der fascinerer mig som videnskabsmand, da det gælder på skalaer så små som atomer, til kopper kaffe, og endda til selve universets udvikling. I fysikken, statistisk mekanik er teorien, der har til formål at forstå denne proces fra et mikroskopisk perspektiv. For kvantesystemer er fremkomsten af ​​termalisering notorisk vanskelig og er et centralt fokus for denne aktuelle forskning. "

Så hvad har alt dette at gøre med sammenfiltring, og hvad siger dine resultater?

"I statistisk mekanik er der forskellige måder, kendt som ensembler, hvor du kan beskrive, hvordan et system termiseres, alle antages at være ækvivalente, når du har et stort system (nogenlunde på skalaer på 10^23 atomer). Imidlertid, det, vi viser i vores arbejde, er, at der ikke kun er forvikling til stede i processen, men dens struktur er meget forskellig afhængigt af hvilken måde du vælger at beskrive dit system. Så, det giver os en måde at teste grundlæggende spørgsmål i statistisk mekanik. Ideen er generel og kan anvendes på en række systemer så små som få atomer og så store som sorte huller. "

Marlon Brenes, Ph.d. kandidat på Trinity og første forfatter af papiret, brugte supercomputere til at simulere kvantesystemer til at teste ideen.

Brenes, en numerisk specialist, sagde:"De numeriske simuleringer for dette projekt, som jeg udførte, er på grænsen af, hvad der i øjeblikket kan udføres på niveau med højtydende computing. For at køre koden brugte jeg den nationale facilitet, ICHEC, og den nye Kay -maskine der. Så, ud over at være et godt fundamentalt resultat, hjalp arbejdet os med virkelig at skubbe grænserne for denne type beregningsmetode og fastslå, at vores koder og den nationale arkitektur fungerer i top. "