Det handler i sidste ende om at forudsige alt - teori kunne være et kort i jagten på kvantematerialer
Et gennembrud inden for teoretisk fysik er et vigtigt skridt i retning af at forudsige adfærden af det grundlæggende stof, som vores verden er bygget op af. Det kan bruges til at beregne systemer med enorme mængder kvantepartikler, en bedrift, som man tidligere troede var umulig.
Den nye forskning fra Københavns Universitet kan vise sig at få stor betydning for design af kvantecomputere og kan endda være et kort over superledere, der fungerer ved stuetemperatur. Artiklen er publiceret i tidsskriftet Physical Review X .
På udkanten af teoretisk fysik undersøger Berislav Buca det næsten umulige ved hjælp af "eksotisk" matematik. Hans seneste teori er ingen undtagelse. Ved at gøre det muligt at beregne dynamikken, altså bevægelser og vekselvirkninger, i systemer med enorme mængder kvantepartikler, har den leveret noget, der var blevet afskrevet i fysikken. En umulighed gjort mulig.
Den uventede tilstedeværelse af en hvid kat pryder illustrationerne af Bucas forskning. Katten Pulci er hans iøjnefaldende muse. Pile gennem kattens krop illustrerer den kvantemekaniske oprindelse af den legende kats bevægelser – og det er netop det forhold, Buca forsøger at forstå ved at gøre det muligt at beregne dynamikken i de allermindste partikler.
Gennembruddet har genoplivet et gammelt og grundlæggende videnskabeligt spørgsmål:Teoretisk, hvis al adfærd i universet kan beregnes ved hjælp af fysikkens love, kan vi så forudsige alt ved at beregne dets mindste partikler?
"Mange fysikdiscipliner handler i sidste ende om at forklare og forudsige verden ved at forstå fysikkens love og beregne de mindste partiklers adfærd. I princippet ville vi være i stand til at svare på ethvert muligt spørgsmål om, hvordan alle mulige ting opfører sig, hvis vi var i stand til at til,« siger Buca fra Københavns Universitets Niels Bohr Institut.
"I princippet kan opførselen af alt i universet forstås ud fra de mikroskopiske love, der styrer partikeldynamikken," siger han, mens han hurtigt appellerer til forsigtighed.
"Det kan jeg selvfølgelig ikke," siger teoretikeren.
En teoretisk genvej undgår djævelen i detaljerne
Kvantepartiklernes interaktioner og bevægelser i deres systemer er så komplekse, forklarer forskeren, at selv verdens mest kraftfulde supercomputer i dag kun er i stand til at udføre beregninger på et dusin af disse partikler ad gangen.
Samtidig består et enkelt atom af mindst to kvantepartikler og et enkelt sandkorn på omkring 50 milliarder gange en milliard atomer – for ikke at nævne en kat eller noget andet, man gerne vil forstå i vores univers.
"Så i praksis er det ikke muligt. Ikke i øjeblikket. Min teori er dog et væsentligt skridt i den rigtige retning. Dette skyldes, at det kræver en slags matematisk genvej til at forstå dynamikken i helheden, uden at computerkraften går tabt i detaljerne for en bred klasse af systemer med mange kvantepartikler, det vil sige uden behov for at beregne alle de individuelle partikler i et system," forklarer Buca.
Teorien har allerede skabt sig et navn ved at give det første matematiske bevis på en langvarig hypotese inden for teoretisk fysik.
Indtil nu har den såkaldte egentilstand-termaliseringshypotese været en antagelse - et veluddannet gæt - i fysik, der endnu ikke skulle forklares matematisk. Det drejer sig om matematikkens evne til at beskrive kvantesystemers bevægelser som helheder.
Bucas teori har således allerede demonstreret sin værdi som grundlæggende teoretisk forskning og opnået, hvad teoretikere længe havde anset for umuligt. Mens resultaterne hovedsageligt interesserer fysikkens lyse sind indtil videre, kan konsekvenserne i sidste ende blive store for os alle.
Et kompas til det kvantemekaniske skattekort
Denne viden kan ende med at vise vejen til at søge efter kvantematerialer med egenskaber så unikke, at de kan transformere vores verden.
Disse kvantematerialer er en forudsætning for at grave vores kløer ind i nogle af de største videnskabelige "fugle på bushen" - såsom stabile kvantecomputere eller endda superledere, der arbejder ved stuetemperatur.
"Vi leder efter et materiale til kvantecomputere, der kan modstå entropi - en naturlov, der får komplekse systemer - f.eks. materialer - til at henfalde til mindre komplekse former. Entropi ødelægger den sammenhæng, der er nødvendig for, at kvantecomputere kan være stabile og blive ved med at fungere, " forklarer Buca.
De eksotiske matematiske systemer, der oprindeligt inspirerede ham og gjorde hans forskningsgennembrud muligt, kan være lige, hvad en kvantecomputer har brug for for at være virkelig nyttig.
"De såkaldte qubits, som en kvantecomputer teoretisk arbejder med, skal være i en tilstand af superposition for at fungere, hvilket betyder, at de samtidig tændes og slukkes - i almindelig frasering. Dette kræver, at de er i en stabil kvantetilstand. termodynamik kan ikke lide de strukturer, der kræves af de nuværende materialer. Min teori kan muligvis informere os om, hvorvidt disse eksotiske systemer kan være en måde at strukturere tingene på, så denne kvantetilstand kunne være mere permanent," siger Buca.
Metoden er lidt ligesom en køreplan, der kan guide forskere på tværs af et stort landskab af mulige materialer ved at give mulighed for forudsigelser om, hvordan disse materialer ville opføre sig under eksperimentelle forhold. For første gang giver dette forskere en måde at målrette deres søgen efter kvantematerialer udstyret med særlige egenskaber.
"Indtil nu har jagten på disse materialer været styret af tilfældigheder. Men mine resultater kan for første gang være et vejledende princip at navigere efter, når man søger efter unikke egenskaber i materialer," siger Buca.
Flere oplysninger: Berislav Buča, Unified Theory of Local Quantum Many-Body Dynamics:Eigenoperator Theoremization Theorems, Physical Review X (2023). DOI:10.1103/PhysRevX.13.031013
Journaloplysninger: Fysisk gennemgang X
Leveret af Københavns Universitet
Varme artikler
-
Hjælper symmetriske kvantesystemer med at overleve i en uperfekt verdenKredit:Daniel Burgarth Symmetriprincipper i klassisk fysik, der hjælper med at holde vores solsystem stabilt, har en spændende pendant i kvanteverdenen, ifølge ny forskning udført af et hold fysik -
Ny forskning kan revolutionere fiberoptisk kommunikationLys fra en laser i penstørrelse føres gennem den orange optiske fiber, og optages på kameraet. Det plettermønster, der produceres i dette bølgemåler, vises på skærmen. Et team af forskere fra Univ -
Altoptisk diffraktivt neuralt netværk lukker ydelsesgabet med elektroniske neurale netværkDriftsprincipper for et differentielt diffraktivt optisk neuralt netværk. Da diffraktive optiske neurale netværk fungerer ved hjælp af sammenhængende belysning, fase- og/eller amplitudekanaler i input -
Kontrol af ustabilitet giver et nærmere kig på kemi fra hypersoniske køretøjerUndersøgelsen om kemiske reaktioner, der forekommer i hypersonisk strømning omkring rumfartøjer, kiggede på tre typer gassammensætninger - molekylært nitrogen, ikke-reagerende luft bestående af moleky
- Betalt sygefravær og fleksydelse giver markant flere pensionsopsparinger
- Sådan beregnes impulsvinklen
- Misty II robots crowdfunding-kampagne har udviklerfællesskabet i tankerne
- Ny forskning bruger satellitter til at forudsige slutningen af vulkanudbrud
- Kulstofbaserede sensorer er klar til at lette et problemfrit menneske-maskine-interface
- Kan maskinlæringsmodeller overvinde skæve datasæt?