Die Berechnungen, die die Wissenschaftler durchführen wollten, waren so komplex, dass selbst Supercomputer dazu nicht in der Lage waren.
Wie funktioniert die Quantenwelt?
Berechnen Sie die Bewegung einer Billardkugelrelativ einfach. Aber die Flugbahnen einer Million Gasteilchen in einem Schiff vorherzusagen, die ständig kollidieren, abbremsen und ablenken, ist viel schwieriger. Wenn nicht genau klar ist, mit welcher Geschwindigkeit sich jedes Teilchen bewegt, dann gibt es zu jedem Zeitpunkt unendlich viele Möglichkeiten. Nur die Wahrscheinlichkeit zählt.
Eine ähnliche Situation besteht in der Quantenwelt:Quantenmechanische Teilchen können alle potenziell möglichen Eigenschaften gleichzeitig besitzen. Dadurch ist der Zustandsraum quantenmechanischer Systeme unglaublich groß. Um die Wechselwirkung von Quantenteilchen untereinander zu modellieren, ist es notwendig, alle ihre Variantenzustände zu berücksichtigen. Und es ist unglaublich schwierig.
Der Punkt ist, dass die Rechenanforderungennehmen exponentiell mit der Anzahl der Teilchen zu. Nimmt man mehr als 40 Teilchen, werden selbst die schnellsten Supercomputer damit nicht klarkommen. Dies ist eine der größten Herausforderungen der Quantenphysik.
Wie vereinfacht man die Aufgabe?
In der neuen Studie verwendeten WissenschaftlerMethoden aus dem Bereich des maschinellen Lernens – künstliche neuronale Netze. Mit ihrer Hilfe ist es möglich, den quantenmechanischen Zustand so umzuformulieren, dass er für Computer steuerbar ist.
Digitales Transformationskonzept der künstlichen Intelligenz. Foto: rawpixel.com
Mit dieser Methode untersuchten Physiker WichtigesEine bisher unklare theoretische Vorhersage ist der Quanten-Kibble-Zurek-Mechanismus. Es beschreibt das dynamische Verhalten physikalischer Systeme während des sogenannten Quantenphasenübergangs. Ein einfaches Beispiel für einen Phasenwechsel ist die Umwandlung von Wasser in Eis. Ein weiteres Beispiel ist die Entmagnetisierung eines Magneten bei hohen Temperaturen.
Aber wenn Sie das Gegenteil tun und umgekehrt,und das Material abkühlen, beginnt der Magnet unterhalb einer bestimmten kritischen Temperatur wieder zu „arbeiten“. Dies geschieht jedoch im gesamten Material ungleichmäßig. Stattdessen werden viele kleine Magnete gleichzeitig erzeugt, deren Nord- und Südpole unterschiedlich ausgerichtet sind. Dadurch ist der resultierende Magnet eigentlich ein Mosaik aus vielen verschiedenen kleineren Magneten. Außerdem wird es defekt sein.
Zuvor hatten Wissenschaftler in einer anderen Studie bestätigtKibble-Zurek-Skalierung zur Defektbildung in einem nematischen Flüssigkristallsystem. Dort wurde der Übergang von einem homogenen Zustand in einen defekten Zustand mithilfe eines elektrischen Feldes erreicht. Der Skalenindex α=1/2 wurde für verschiedene Materialien ermittelt und ist temperaturunabhängig.
Quelle: https://doi.org/10.1002/cphc.201700023
Der Kibble-Mechanismus – Zurek ist nach ihm benanntTom V. B. Kibble, der ein Pionier in der Erforschung der Domänenstrukturbildung im frühen Universum war, und Wojciech H. Zurek, der die Anzahl der erzeugten Defekte mit den kritischen Parametern des Übergangs und seiner Geschwindigkeit in Verbindung brachte.
Der Kibble-Zurek-Mechanismus sagt voraus, wie vielmit diesen Mängeln zu rechnen ist. Vereinfacht gesagt: Aus wie vielen Mini-Magneten wird das Material letztendlich bestehen? Es ist bemerkenswert, dass die Anzahl dieser Defekte universell ist und daher nicht von mikroskopischen Details abhängt. Das bedeutet, dass sich viele verschiedene Materialien exakt gleich verhalten, auch wenn ihre mikroskopische Zusammensetzung völlig unterschiedlich ist.
Der Kibble-Zurek-Mechanismus und die Entstehung von Galaxien nach dem Urknall
Zunächst wurde der Kibble-Zurek-Mechanismus eingeführtum die Strukturbildung im Universum zu erklären. Nach dem Urknall war es zunächst völlig homogen, das heißt, die gesamte enthaltende Materie war gleichmäßig verteilt. Lange Zeit war unklar, wie aus einem solch homogenen Zustand Galaxien, Sterne oder Planeten entstehen könnten.
In diesem Zusammenhang der Kibble-Zurek-Mechanismushilft Ihnen zu verstehen, was passiert ist. Als das Universum abkühlte, bildeten sich Defekte wie Magnete. Und wenn diese Prozesse in der makroskopischen Welt gut untersucht sind, gibt es eine Art von Phasenübergängen, an denen sie noch nicht getestet wurden. Wir sprechen speziell über Quantenphasenübergänge.
Universumserweiterung, 3D-Rendering. Foto: angel_nt
Das Problem ist, dass sie nur dann existieren, wennAbsolute Nulltemperatur: −273 °C. Dies bedeutet, dass der Phasenübergang nicht beim Abkühlen erfolgt, sondern aufgrund einer Änderung der Wechselwirkungsenergie. Zum Beispiel, wenn sich der Druck ändert.“
Was haben die Wissenschaftler getan?
In einer neuen Studie modellierten Wissenschaftlereinen solchen Quantenphasenübergang auf einem Supercomputer (mit Hilfe künstlicher neuronaler Netze). Damit zeigten sie erstmals, dass der Kibble-Zurek-Mechanismus, der die Entstehung des Universums erklärt, auch in der Quantenwelt anwendbar ist. Wie die Studienautoren anmerken, war dieser Befund „nicht offensichtlich“. Es war sehr aufwändig, sie zu beweisen. Die neue Forschung wird es Physikern ermöglichen, die Dynamik quantenmechanischer Systeme vieler Teilchen besser zu beschreiben. Und deshalb, um die Regeln, die diese exotische Welt regieren, genauer zu verstehen.
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