Výpočty, které chtěli vědci provést, byly tak složité, že to nezvládly ani superpočítače.
Jak funguje kvantový svět?
Vypočítejte pohyb jedné kulečníkové koulepoměrně jednoduché. Ale předpovědět trajektorie milionu částic plynu v nádobě, které se neustále srážejí, brzdí a vychylují, je mnohem obtížnější. Pokud není přesně jasné, jakou rychlostí se jednotlivé částice pohybují, pak mají v daném časovém okamžiku nekonečné množství možných možností. Důležitá je pouze pravděpodobnost.
Podobná situace existuje v kvantovém světě:Kvantově mechanické částice mohou mít současně všechny potenciálně možné vlastnosti. Díky tomu je stavový prostor kvantově mechanických systémů neuvěřitelně velký. Pro modelování vzájemného působení kvantových částic je nutné vzít v úvahu všechny jejich variantní stavy. A je to neuvěřitelně těžké.
Jde o to, že požadavky na výpočetní technikuroste exponenciálně s počtem částic. Pokud vezmete více než 40 částic, pak si s nimi neporadí ani ty nejrychlejší superpočítače. To je jedna z největších výzev v kvantové fyzice.
Jak zjednodušit úkol?
V nové studii vědci použilimetody z oblasti strojového učení — umělé neuronové sítě. S jejich pomocí je možné přeformulovat kvantově mechanický stav a učinit jej řiditelným počítači.
Koncept digitální transformace umělé inteligence. Foto: rawpixel.com
Pomocí této metody fyzici zkoumali důležitéteoretická předpověď, která dosud zůstávala nejasná, je kvantový mechanismus Kibble-Zurek. Popisuje dynamické chování fyzikálních systémů při tzv. kvantovém fázovém přechodu. Jednoduchým příkladem změny fáze je, když se voda promění v led. Dalším příkladem je demagnetizace magnetu při vysokých teplotách.
Ale pokud uděláte opak a naopak,a ochlazovat materiál, magnet opět začne „pracovat“ pod určitou kritickou teplotou. K tomu však dochází nerovnoměrně v celém materiálu. Místo toho je mnoho malých magnetů vytvořeno současně s jejich severním a jižním pólem zarovnaným odlišně. Výsledkem je, že výsledný magnet je vlastně mozaikou mnoha různých menších magnetů. Navíc bude vadný.
Dříve v jiné studii vědci potvrdiliKibble-Zurek škálování pro tvorbu defektů v nematickém systému tekutých krystalů. Tam bylo pomocí elektrického pole dosaženo přechodu z homogenního stavu do stavu defektního. Index měřítka α=1/2 byl získán pro různé materiály a nezávisí na teplotě.
Zdroj: https://doi.org/10.1002/cphc.201700023
Mechanismus granulí – Zurek je pojmenován poTom V. B. Kibble, který byl průkopníkem ve studiu tvorby doménových struktur v raném vesmíru, a Wojciech H. Zurek, který spojil počet vytvořených defektů s kritickými parametry přechodu a jeho rychlostí.
Mechanismus Kibble-Zurek předpovídá kolikz těchto závad lze očekávat. Jednoduše řečeno, z kolika minimagnetů bude materiál nakonec sestávat? Je pozoruhodné, že počet těchto defektů je univerzální a nezávisí tedy na mikroskopických detailech. To znamená, že mnoho různých materiálů se chová naprosto stejně, i když jejich mikroskopické složení je zcela odlišné.
Mechanismus Kibble-Zurek a vznik galaxií po velkém třesku
Zpočátku byl představen mechanismus Kibble-Zurekvysvětlit formování struktury ve vesmíru. Po velkém třesku byla zpočátku zcela homogenní, což znamená, že veškerá hmota obsahující byla distribuována rovnoměrně. Dlouho nebylo jasné, jak mohou galaxie, hvězdy nebo planety vzniknout z tak homogenního stavu.
V této souvislosti mechanismus Kibble-Zurekvám pomůže pochopit, co se stalo. Jak se vesmír ochlazoval, vyvíjely se defekty jako magnety. A pokud jsou tyto procesy v makroskopickém světě dobře prostudovány, existuje jeden typ fázových přechodů, na kterém to ještě nebylo testováno. Mluvíme konkrétně o kvantových fázových přechodech.
Expanze vesmíru, 3D vykreslování. Foto: angel_nt
Problém je, že existují pouze tehdy, kdyžteplota absolutní nuly: −273 °C. To znamená, že k fázovému přechodu nedochází během ochlazování, ale v důsledku změny interakční energie. Například když se změní tlak.“
Co vědci udělali?
V nové studii vědci modelovalitakový kvantový fázový přechod na superpočítači (s pomocí umělých neuronových sítí). Poprvé tak ukázali, že mechanismus Kibble-Zurek, který vysvětluje zrození Vesmíru, je použitelný i v kvantovém světě. Jak autoři studie poznamenávají, toto zjištění „nebylo zřejmé“. Dokázat je stálo hodně úsilí. Nový výzkum umožní fyzikům lépe popsat dynamiku kvantově mechanických systémů mnoha částic. A proto přesněji porozumět pravidlům, kterými se tento exotický svět řídí.
Přečtěte si více:
Na „dvoře“ Země byla nalezena monstrózní černá díra: je velmi blízko naší planety
NASA odhalila původ Haumea – nejzáhadnější planety sluneční soustavy
Webb vyfotografoval Pilíře stvoření. Porovnejte, jak je předtím zastřelil Hubble
Na obálce: Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab od NASA