Forskere besvarer grundlæggende spørgsmål om kvantefysik

Et internationalt hold af fysikere, med deltagelse af Universitetet i Augsburg, har for første gang bekræftet en vigtig teoretisk forudsigelse inden for kvantefysik. Beregningerne hertil er så komplekse, at de hidtil har vist sig at være for krævende selv for supercomputere. Det lykkedes dog forskerne at forenkle dem betydeligt ved hjælp af metoder fra maskinlæringsområdet. Undersøgelsen forbedrer forståelsen af ​​grundlæggende principper i kvanteverdenen. Det er blevet offentliggjort i tidsskriftet Science Advances .

Beregningen af ​​bevægelsen af ​​en enkelt billardkugle er relativt enkel. Men at forudsige banerne for en mængde gaspartikler i et fartøj, som konstant kolliderer, bliver bremset og afbøjet, er meget vanskeligere. Men hvad nu hvis det slet ikke er klart præcist, hvor hurtigt hver partikel bevæger sig, så de ville have utallige mulige hastigheder på et givet tidspunkt, kun forskellige i deres sandsynlighed?

Situationen er den samme i kvanteverdenen:Kvantemekaniske partikler kan endda have alle potentielt mulige egenskaber samtidigt. Dette gør tilstandsrummet for kvantemekaniske systemer ekstremt stort. Hvis du har til formål at simulere, hvordan kvantepartikler interagerer med hinanden, skal du overveje deres komplette tilstandsrum.

"Og det er ekstremt komplekst," siger prof. Dr. Markus Heyl fra Institut for Fysik ved Universitetet i Augsburg. "Den beregningsmæssige indsats stiger eksponentielt med antallet af partikler. Med mere end 40 partikler er den allerede så stor, at selv de hurtigste supercomputere ikke er i stand til at klare det. Dette er en af ​​kvantefysikkens store udfordringer."

Neurale netværk gør problemet overskueligt

For at forenkle dette problem brugte Heyls gruppe metoder fra området maskinlæring - kunstige neurale netværk. Med disse kan den kvantemekaniske tilstand omformuleres. "Dette gør det overskueligt for computere," forklarer Heyl.

Ved hjælp af denne metode har forskerne undersøgt en vigtig teoretisk forudsigelse, der hidtil har været en enestående udfordring - kvante-Kibble-Zurek-mekanismen. Den beskriver fysiske systemers dynamiske adfærd ved det, der kaldes en kvantefaseovergang. Et eksempel på en faseovergang fra den makroskopiske og mere intuitive verden er overgangen fra vand til is. Et andet eksempel er afmagnetiseringen af ​​en magnet ved høje temperaturer.

Hvis du går den anden vej rundt og afkøler materialet, begynder magneten at dannes igen under en vis kritisk temperatur. Dette sker dog ikke jævnt over hele materialet. I stedet skabes mange små magneter med forskelligt justerede nord- og sydpoler på samme tid. Således er den resulterende magnet faktisk en mosaik af mange forskellige, mindre magneter. Fysikere siger også, at det indeholder defekter.

Kibble-Zurek-mekanismen forudsiger, hvor mange af disse defekter, der kan forventes (med andre ord, hvor mange minimagneter materialet i sidste ende vil bestå af). Det, der er særligt interessant, er, at antallet af disse defekter er universelt og dermed uafhængigt af mikroskopiske detaljer. Derfor opfører mange forskellige materialer sig nøjagtigt identisk, selvom deres mikroskopiske sammensætning er helt anderledes.

Kibble-Zurek-mekanismen og dannelsen af ​​galakser efter Big Bang

Kibble-Zurek-mekanismen blev oprindeligt introduceret for at forklare dannelsen af ​​struktur i universet. Efter Big Bang var universet oprindeligt fuldstændig homogent, hvilket betyder, at det hostede stof var fordelt perfekt jævnt. I lang tid har det været uklart, hvordan galakser, sole eller planeter kunne være dannet ud af en så homogen tilstand.

I denne sammenhæng giver Kibble-Zurek-mekanismen en forklaring. Da universet var ved at køle ned, udviklede defekter sig på samme måde som magneter. I mellemtiden er disse processer i den makroskopiske verden godt forstået. Men der er én type faseovergang, for hvilken det endnu ikke har været muligt at verificere mekanismens gyldighed – nemlig de allerede nævnte kvantefaseovergange. "De eksisterer kun ved det absolutte nulpunkt på -273 grader Celsius," forklarer Heyl. "Så faseovergangen finder ikke sted under afkøling, men gennem ændringer i interaktionsenergien - man kunne måske tænke på at variere trykket."

Forskerne har nu simuleret en sådan kvantefaseovergang på en supercomputer. De kunne således for første gang vise, at Kibble-Zurek-mekanismen også gælder i kvanteverdenen. "Det var på ingen måde en indlysende konklusion," siger Augsburg-fysikeren. "Vores undersøgelse giver os mulighed for bedre at beskrive dynamikken i kvantemekaniske systemer af mange partikler og dermed at forstå mere præcist de regler, der styrer denne eksotiske verden." + Udforsk yderligere

Ny pels til kvantekatten:Sammenfiltring af mange atomer opdaget for første gang