Изчисленията, които учените искаха да извършат, бяха толкова сложни, че дори суперкомпютрите не можеха да го направят.
Как работи квантовият свят?
Изчислете движението на една билярдна топкаотносително проста. Но предсказването на траекториите на милиони газови частици в съд, които непрекъснато се сблъскват, спират и отклоняват, е много по-трудно. Ако не е ясно точно с каква скорост се движи всяка частица, тогава те имат безкраен брой възможни опции във всеки даден момент от времето. Има значение само вероятността.
Подобна ситуация съществува и в квантовия свят:квантово-механичните частици могат едновременно да притежават всички потенциално възможни свойства. Това прави пространството на състоянията на квантово-механичните системи невероятно голямо. За да се моделира взаимодействието на квантовите частици една с друга, е необходимо да се вземат предвид всичките им вариантни състояния. И това е невероятно трудно.
Въпросът е, че компютърните изискваниянараства експоненциално с броя на частиците. Ако вземете повече от 40 частици, тогава дори и най-бързите суперкомпютри няма да могат да се справят с тях. Това е едно от най-големите предизвикателства в квантовата физика.
Как да опростим задачата?
В новото изследване учените са използвалиметоди от областта на машинното обучение—изкуствени невронни мрежи. С тяхна помощ е възможно да се преформулира квантовото механично състояние, правейки го контролирано от компютри.
Концепция за цифрова трансформация на изкуствен интелект. Снимка: rawpixel.com
Използвайки този метод, физиците изследват важнитеоретична прогноза, която досега остава неясна, е квантовият механизъм Kibble-Zurek. Той описва динамичното поведение на физическите системи по време на така наречения квантов фазов преход. Прост пример за фазова промяна е, когато водата се превърне в лед. Друг пример е размагнитването на магнит при високи температури.
Но ако направите обратното и обратното,и охладете материала, магнитът отново ще започне да „работи“ под определена критична температура. Това обаче се случва неравномерно в целия материал. Вместо това, много малки магнити се създават едновременно с техните северни и южни полюси, подравнени по различен начин. В резултат на това полученият магнит е всъщност мозайка от много различни по-малки магнити. Освен това ще бъде дефектен.
Преди това в друго проучване учените потвърдихаМащабиране на Kibble-Zurek за образуване на дефекти в нематична течнокристална система. Там преходът от хомогенно състояние към дефектно състояние беше постигнат с помощта на електрическо поле. Мащабният индекс α=1/2 е получен за различни материали и не зависи от температурата.
Източник: https://doi.org/10.1002/cphc.201700023
Механизмът на Kibble - Zurek е кръстен наТом В. Б. Kibble, който беше пионер в изследването на формирането на домейнова структура в ранната Вселена, и Wojciech H. Zurek, който свърза броя на създадените дефекти с критичните параметри на прехода и неговата скорост.
Механизмът Kibble-Zurek предвижда колкоот тези дефекти са очаквани. Просто казано, от колко мини-магнита в крайна сметка ще се състои материалът? Трябва да се отбележи, че броят на тези дефекти е универсален и следователно не зависи от микроскопични детайли. Това означава, че много различни материали се държат по абсолютно същия начин, дори ако техният микроскопичен състав е напълно различен.
Механизмът Kibble-Zurek и образуването на галактики след Големия взрив
Първоначално беше въведен механизмът Kibble-Zurekда обясни формирането на структурата във Вселената. След Големия взрив той първоначално е бил напълно хомогенен, което означава, че цялата съдържаща се материя е била разпределена равномерно. Дълго време не беше ясно как галактики, звезди или планети могат да се образуват от такова хомогенно състояние.
В този контекст механизмът Kibble-Zurekви помага да разберете какво се е случило. Докато Вселената се охлаждаше, дефектите се развиваха като магнити. И ако тези процеси в макроскопичния свят са добре проучени, има един тип фазови преходи, върху които все още не е възможно да се тества. Говорим конкретно за квантови фазови преходи.
Разширяване на вселената, 3D изобразяване. Снимка: angel_nt
Проблемът е, че те съществуват само когатотемпература на абсолютната нула: −273 °C. Това означава, че фазовият преход не се случва по време на охлаждане, а поради промяна в енергията на взаимодействие. Например, когато налягането се промени.
Какво са направили учените?
В ново проучване учените моделирахатакъв квантов фазов преход на суперкомпютър (с помощта на изкуствени невронни мрежи). Така те показаха за първи път, че механизмът Кибъл-Зурек, който обяснява раждането на Вселената, е приложим и в квантовия свят. Както отбелязват авторите на изследването, това откритие „не е очевидно“. Доказването им отне много усилия. Новото изследване ще позволи на физиците да опишат по-добре динамиката на квантово-механичните системи от много частици. И следователно да разберем по-точно правилата, които управляват този екзотичен свят.
Прочетете още:
Чудовищна черна дупка беше открита в „задния двор“ на Земята: тя е много близо до нашата планета
НАСА разкри произхода на Хаумеа - най-загадъчната планета в Слънчевата система
Уеб снима Стълбовете на Сътворението. Сравнете как Хъбъл ги е снимал преди
На корицата: Лабораторията за концептуални изображения на Центъра за космически полети Годард на НАСА