En ny genvej til kvantesimuleringer kunne låse op for nye døre til teknologi

Fra vand, der koger til damp til isterninger, der smelter i et glas, har vi alle set det fænomen, der er kendt som en faseovergang i vores hverdag. Men der er en anden type faseovergang, som er meget sværere at se, men lige så skarp:kvantefaseovergange.

Når de afkøles til nær det absolutte nulpunkt, kan visse materialer gennemgå disse kvantefaseovergange, som kan få en fysikers kæbe til at falde. Materialet kan vende fra at være magnetisk til ikke-magnetisk, eller det kan pludselig få superkraften til at lede elektricitet uden energi tabt som varme.

Matematikken bag disse overgange er svær at håndtere selv for supercomputere – men en ny Physical Review A undersøgelse fra University of Chicago foreslår en ny måde at arbejde med disse komplicerede beregninger, som i sidste ende kan give teknologiske gennembrud. Genvejen trækker kun den vigtigste information ind i ligningen og skaber et "kort" over alle mulige faseovergange i systemet, der simuleres.

"Dette er en potentielt kraftfuld måde at se på kvantefaseovergange, som kan bruges med enten traditionelle eller kvantecomputere," sagde David Mazziotti, en teoretisk kemiker ved Institut for Kemi og James Franck Institute ved University of Chicago og seniorforfatter. af undersøgelsen.

Han og andre videnskabsmænd mener, at hvis vi fuldt ud kan forstå den komplekse fysik, der er på spil bag kvantefaseovergange, kan vi låse døre op til nye teknologier. Lignende opdagelser i fortiden har for eksempel ført til MR-maskiner og de transistorer, der muliggør moderne computere og telefoner.

En strømlinet tilgang

De faseændringer, du er bekendt med, såsom fordampning og kondens, sker på grund af temperaturændringer. Men kvantefaseovergange udløses af interferens i deres omgivelser, såsom et magnetfelt.

Fænomenet opstår som et resultat af, at mange elektroner virker i forhold til hinanden - en type interaktion, der falder ind under et notorisk komplekst underfelt kendt som "stærkt korreleret" fysik. For at simulere disse kvantefaseovergange skal videnskabsmænd traditionelt skabe en model, der inkorporerer mulighederne for hver enkelt elektron. Men den computerkraft, der er nødvendig for at køre disse simuleringer, kommer meget hurtigt ud af kontrol.

Kvantecomputere menes at være bedre egnet til denne type problemer end konventionelle computere, men selv denne metode har sine forhindringer:for eksempel skaber disse problemer et væld af data, som derefter skal oversættes tilbage til sproget på "almindelige" computere for videnskabsmænd til at arbejde med dem.

Så forskerne ville se, hvordan de kunne forenkle beregningen uden at miste nøjagtigheden.

I stedet for at lave en simulering, der beregner hver enkelt variabel i et givet kvantesystem, fandt de en anden tilgang:at erstatte et sæt tal, der beskriver de mulige interaktioner mellem hvert par elektroner. Dette kaldes en "to-elektron reduceret densitetsmatrix."

"Ved at måle det sæt, der beskriver matrixen med reduceret tæthed med to elektroner, ender vi med at skabe et kort over alle de forskellige faser, kvantesystemet kan opleve," forklarede kandidatstuderende Sam Warren, den første forfatter på undersøgelsen.

Dette "kort" i sig selv, sagde han, byder også på nyttige fordele:"Det giver dig mulighed for at se overgange, som ellers kunne gå glip af, og det skaber en virkelig kraftfuld visualisering, der lader dig nemt og hurtigt få et overblik over systemet på højt niveau. "

Holdet forsøgte at bruge metoden til at modellere flere forskellige slags faseovergange og fandt ud af, at den var lige så nøjagtig som den traditionelle, mere dataintensive metode.

"Det giver os den grundlæggende fysik, vi har brug for for at forstå systemet, samtidig med at vi minimerer computerkravene," sagde kandidatstuderende LeeAnn Sager-Smith, den anden forfatter på undersøgelsen.

Mazziotti håber, at metoden ikke kun er nyttig til at køre simuleringer på kvantecomputere, men til at udvikle vores forståelse af kvantefaseovergange generelt. "Der er nogle områder, der er blevet underudforsket, fordi de er så svære at modellere," sagde han. "Jeg håber, at denne tilgang kan låse nogle nye døre op." + Udforsk yderligere

Ny kraftfuld metode til at udforske faseovergange i stærkt korrelerede kvantesystemer