وكانت الحسابات التي أراد العلماء إجراؤها معقدة للغاية لدرجة أنه حتى الحواسيب العملاقة لم تكن قادرة على القيام بها.
كيف يعمل عالم الكم؟
احسب حركة كرة بلياردو واحدةبسيطة نسبيا. لكن التنبؤ بمسارات مليون جزيء غاز في السفينة، والتي تصطدم باستمرار وتكبح وتنحرف، هو أمر أكثر صعوبة. إذا لم يكن من الواضح بالضبط ما هي السرعة التي يتحرك بها كل جسيم، فعندئذ يكون لديه عدد لا حصر له من الخيارات الممكنة في أي وقت محدد. الاحتمالية فقط هي التي تهم.
يوجد موقف مماثل في العالم الكمي:يمكن للجسيمات الميكانيكية الكمومية أن تمتلك في الوقت نفسه جميع الخصائص المحتملة. وهذا يجعل مساحة الحالة للأنظمة الميكانيكية الكمومية كبيرة بشكل لا يصدق. لنمذجة تفاعل الجسيمات الكمومية مع بعضها البعض، من الضروري أن نأخذ في الاعتبار جميع حالاتها المختلفة. وهذا صعب للغاية.
وهذه النقطة هي أن متطلبات الحوسبةزيادة أضعافا مضاعفة مع عدد الجزيئات. إذا أخذت أكثر من 40 جسيمًا، فلن تتمكن حتى أسرع أجهزة الكمبيوتر العملاقة من التعامل معها. وهذا أحد أكبر التحديات التي تواجه فيزياء الكم.
كيف تبسط المهمة؟
وفي الدراسة الجديدة، استخدم العلماءطرق من مجال التعلم الآلي – الشبكات العصبية الاصطناعية. وبمساعدتهم، من الممكن إعادة صياغة الحالة الميكانيكية الكمومية، مما يجعلها قابلة للتحكم بواسطة أجهزة الكمبيوتر.
مفهوم التحول الرقمي للذكاء الاصطناعي. الصورة: rawpixel.com
باستخدام هذه الطريقة، حقق الفيزيائيون أهمية كبيرةالتنبؤ النظري الذي ظل غير واضح حتى الآن هو آلية كيبل-زوريك الكمومية. فهو يصف السلوك الديناميكي للأنظمة الفيزيائية أثناء ما يسمى بمرحلة انتقال الكم. مثال بسيط على تغير الطور هو عندما يتحول الماء إلى جليد. مثال آخر هو إزالة مغنطة المغناطيس عند درجات حرارة عالية.
ولكن إذا فعلت العكس والعكس صحيح،وتبريد المادة، سيبدأ المغناطيس مرة أخرى في "العمل" تحت درجة حرارة حرجة معينة. ومع ذلك، يحدث هذا بشكل غير متساو في جميع أنحاء المادة. وبدلا من ذلك، يتم إنشاء العديد من المغناطيسات الصغيرة في وقت واحد مع محاذاة أقطابها الشمالية والجنوبية بشكل مختلف. ونتيجة لذلك، فإن المغناطيس الناتج هو في الواقع فسيفساء من العديد من المغناطيسات الصغيرة المختلفة. بالإضافة إلى ذلك، سيكون معيبًا.
وسبق أن أكد العلماء ذلك في دراسة أخرىتحجيم Kibble-Zurek لتكوين العيوب في نظام بلوري سائل خيطي. هناك، تم تحقيق الانتقال من حالة متجانسة إلى حالة معيبة باستخدام مجال كهربائي. تم الحصول على مؤشر المقياس α=1/2 لمواد مختلفة ولا يعتمد على درجة الحرارة.
المصدر: https://doi.org/10.1002/cphc.201700023
آلية كيبل - تم تسمية زوريك بهذا الاسمتوم ف.ب. كيبل، الذي كان رائدًا في دراسة تكوين بنية المجال في الكون المبكر، وفويتشخ زوريك، الذي ربط عدد العيوب التي تم إنشاؤها بالمعلمات الحرجة للانتقال وسرعته.
تتنبأ آلية Kibble-Zurek بالكمية التي ستصل إليهامن المتوقع حدوث هذه العيوب. ببساطة، ما هو عدد المغناطيسات الصغيرة التي ستتكون منها المادة في النهاية؟ ومن الجدير بالذكر أن عدد هذه العيوب عالمي، وبالتالي لا يعتمد على التفاصيل المجهرية. وهذا يعني أن العديد من المواد المختلفة تتصرف بنفس الطريقة تمامًا، حتى لو كان تركيبها المجهري مختلفًا تمامًا.
آلية Kibble-Zurek وتكوين المجرات بعد الانفجار الكبير
في البداية، تم تقديم آلية Kibble-Zurekلشرح تكوين البنية في الكون. بعد الانفجار الكبير، كانت في البداية متجانسة تمامًا، مما يعني أن جميع المواد التي تحتوي عليها تم توزيعها بالتساوي. لفترة طويلة لم يكن من الواضح كيف يمكن للمجرات أو النجوم أو الكواكب أن تتشكل من مثل هذه الحالة المتجانسة.
وفي هذا السياق، آلية كيبل-زوريكيساعدك على فهم ما حدث. ومع تبريد الكون، تطورت العيوب مثل المغناطيس. وإذا تمت دراسة هذه العمليات في العالم المجهري جيدًا، فهناك نوع واحد من التحولات الطورية التي لم يكن من الممكن اختبارها بعد. نحن نتحدث على وجه التحديد عن التحولات المرحلة الكمومية.
توسع الكون ، عرض ثلاثي الأبعاد. الصورة: angel_nt
المشكلة هي أنها موجودة فقط عندمادرجة حرارة الصفر المطلق: -273 درجة مئوية. وهذا يعني أن انتقال الطور لا يحدث أثناء التبريد، ولكن بسبب التغير في طاقة التفاعل. على سبيل المثال، عندما يتغير الضغط."
ماذا فعل العلماء؟
وفي دراسة جديدة، قام العلماء بتصميم نموذجمثل هذا التحول في الطور الكمي على كمبيوتر عملاق (بمساعدة الشبكات العصبية الاصطناعية). وهكذا، أظهروا لأول مرة أن آلية كيبل-زوريك، التي تفسر ولادة الكون، قابلة للتطبيق أيضًا في عالم الكم. وكما لاحظ مؤلفو الدراسة، فإن هذه النتيجة "لم تكن واضحة". وقد استغرق إثباتها الكثير من الجهد. سيسمح البحث الجديد للفيزيائيين بوصف ديناميكيات الأنظمة الميكانيكية الكمومية للعديد من الجسيمات بشكل أفضل. وبالتالي فهم القواعد التي تحكم هذا العالم الغريب بشكل أكثر دقة.
قراءة المزيد:
تم العثور على ثقب أسود وحش في "الفناء الخلفي" للأرض: إنه قريب جدًا من كوكبنا
كشفت وكالة ناسا عن أصل كوكب هاوميا - أكثر الكواكب غموضًا في النظام الشمسي
صوّر ويب أركان الخلق. قارن كيف صورهم هابل من قبل
على الغلاف: مختبر الصور المفاهيمية التابع لمركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا