Los cálculos que querían realizar los científicos eran tan complejos que ni siquiera los superordenadores podían realizarlos.
¿Cómo funciona el mundo cuántico?
Calcula el movimiento de una bola de billar.relativamente simple. Pero predecir las trayectorias de un millón de partículas de gas en un recipiente, que chocan, frenan y desvían constantemente, es mucho más difícil. Si no está claro exactamente a qué velocidad se mueve cada partícula, entonces tienen un número infinito de opciones posibles en cualquier momento dado. Sólo importa la probabilidad.
Una situación similar existe en el mundo cuántico:Las partículas de la mecánica cuántica pueden poseer simultáneamente todas las propiedades potencialmente posibles. Esto hace que el espacio de estados de los sistemas de mecánica cuántica sea increíblemente grande. Para modelar la interacción de partículas cuánticas entre sí, es necesario tener en cuenta todas sus variantes de estado. Y es increíblemente difícil.
La cuestión es que los requisitos informáticosaumenta exponencialmente con el número de partículas. Si se toman más de 40 partículas, ni siquiera las supercomputadoras más rápidas podrán hacer frente a ellas. Este es uno de los mayores desafíos de la física cuántica.
¿Cómo simplificar la tarea?
En el nuevo estudio, los científicos utilizaronmétodos del campo del aprendizaje automático: redes neuronales artificiales. Con su ayuda, es posible reformular el estado de la mecánica cuántica, haciéndolo controlable mediante computadoras.
Concepto de transformación digital de inteligencia artificial. Foto: www.rawpixel.com
Utilizando este método, los físicos investigaron importantesuna predicción teórica que hasta ahora no ha quedado clara es el mecanismo cuántico de Kibble-Zurek. Describe el comportamiento dinámico de los sistemas físicos durante la llamada transición de fase cuántica. Un ejemplo sencillo de cambio de fase es cuando el agua se convierte en hielo. Otro ejemplo es la desmagnetización de un imán a altas temperaturas.
Pero si haces lo contrario y viceversa,y enfriar el material, el imán comenzará nuevamente a "trabajar" por debajo de una cierta temperatura crítica. Sin embargo, esto ocurre de manera desigual en todo el material. En cambio, se crean muchos imanes pequeños simultáneamente con sus polos norte y sur alineados de manera diferente. Como resultado, el imán resultante es en realidad un mosaico de muchos imanes más pequeños diferentes. Además, estará defectuoso.
Anteriormente, en otro estudio, los científicos confirmaronEscalado de Kibble-Zurek para la formación de defectos en un sistema de cristal líquido nemático. Allí se logró la transición de un estado homogéneo a un estado defectuoso mediante un campo eléctrico. El índice de escala α=1/2 se obtuvo para varios materiales y no depende de la temperatura.
Fuente: https://doi.org/10.1002/cphc.201700023
El mecanismo de croquetas: Zurek lleva el nombreTom V. B. Kibble, que fue pionero en el estudio de la formación de estructuras de dominios en el Universo temprano, y Wojciech H. Zurek, que relacionó el número de defectos creados con los parámetros críticos de la transición y su velocidad.
El mecanismo Kibble-Zurek predice cuántode estos defectos son de esperarse. En pocas palabras, ¿de cuántos miniimanes estará compuesto finalmente el material? Es de destacar que el número de estos defectos es universal y, por tanto, no depende de detalles microscópicos. Esto significa que muchos materiales diferentes se comportan exactamente de la misma manera, incluso si su composición microscópica es completamente diferente.
El mecanismo Kibble-Zurek y la formación de galaxias tras el Big Bang
Inicialmente, se introdujo el mecanismo Kibble-Zurek.para explicar la formación de estructuras en el Universo. Después del Big Bang, inicialmente era completamente homogéneo, es decir, toda la materia que lo contenía se distribuyó uniformemente. Durante mucho tiempo no estuvo claro cómo podían formarse galaxias, estrellas o planetas a partir de un estado tan homogéneo.
En este contexto, el mecanismo Kibble-Zurekte ayuda a entender lo que pasó. A medida que el Universo se enfrió, se desarrollaron defectos como imanes. Y, si bien se estudian estos procesos en el mundo macroscópico, hay un tipo de transiciones de fase en las que aún no ha sido posible comprobarlo. Estamos hablando específicamente de transiciones de fase cuánticas.
Expansión del universo, representación 3D. Foto: angel_nt
El problema es que sólo existen cuandotemperatura del cero absoluto: −273 °C. Esto significa que la transición de fase no se produce durante el enfriamiento, sino debido a un cambio en la energía de interacción. Por ejemplo, cuando cambia la presión".
¿Qué han hecho los científicos?
En un nuevo estudio, los científicos modelarontal transición de fase cuántica en una supercomputadora (con la ayuda de redes neuronales artificiales). Así, demostraron por primera vez que el mecanismo de Kibble-Zurek, que explica el nacimiento del Universo, también es aplicable en el mundo cuántico. Como señalan los autores del estudio, este hallazgo "no era obvio". Fue necesario un gran esfuerzo para demostrarlos. La nueva investigación permitirá a los físicos describir mejor la dinámica de los sistemas mecánicos cuánticos de muchas partículas. Y, por tanto, para comprender con mayor precisión las reglas que rigen este exótico mundo.
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