Les calculs que les scientifiques voulaient effectuer étaient si complexes que même les superordinateurs ne pouvaient pas les réaliser.
Comment fonctionne le monde quantique ?
Calculer le mouvement d'une boule de billardrelativement simple. Mais prédire les trajectoires d’un million de particules de gaz dans un navire, qui entrent constamment en collision, freinent et dévieront, est beaucoup plus difficile. S’il n’est pas clair exactement à quelle vitesse chaque particule se déplace, alors elles disposent d’un nombre infini d’options possibles à tout moment donné. Seule la probabilité compte.
Une situation similaire existe dans le monde quantique :Les particules de mécanique quantique peuvent posséder simultanément toutes les propriétés potentiellement possibles. Cela rend l’espace d’état des systèmes de mécanique quantique incroyablement vaste. Pour modéliser l’interaction des particules quantiques entre elles, il est nécessaire de prendre en compte tous leurs états variantes. Et c'est incroyablement difficile.
Le fait est que les exigences informatiquesaugmente de façon exponentielle avec le nombre de particules. Si vous prenez plus de 40 particules, même les supercalculateurs les plus rapides ne pourront pas les gérer. C’est l’un des plus grands défis de la physique quantique.
Comment simplifier la tâche ?
Dans la nouvelle étude, les scientifiques ont utiliséméthodes issues du domaine de l’apprentissage automatique : les réseaux de neurones artificiels. Avec leur aide, il est possible de reformuler l'état de la mécanique quantique, le rendant contrôlable par des ordinateurs.
Concept de transformation numérique de l'intelligence artificielle. Photo: rawpixel.com
Grâce à cette méthode, les physiciens ont étudié d'importantesune prédiction théorique qui est jusqu’à présent restée floue est le mécanisme quantique de Kibble-Zurek. Il décrit le comportement dynamique des systèmes physiques lors de la transition de phase quantique. Un exemple simple de changement de phase est celui où l’eau se transforme en glace. Un autre exemple est la démagnétisation d’un aimant à haute température.
Mais si vous faites le contraire et vice versa,et refroidir le matériau, l'aimant recommencera à « fonctionner » en dessous d'une certaine température critique. Cependant, cela se produit de manière inégale dans tout le matériau. Au lieu de cela, de nombreux petits aimants sont créés simultanément avec leurs pôles nord et sud alignés différemment. En conséquence, l’aimant résultant est en réalité une mosaïque de nombreux aimants plus petits différents. De plus, il sera défectueux.
Auparavant, dans une autre étude, les scientifiques avaient confirméMise à l'échelle Kibble-Zurek pour la formation de défauts dans un système à cristaux liquides nématiques. Là, le passage d'un état homogène à un état défectueux a été réalisé à l'aide d'un champ électrique. L'indice d'échelle α = 1/2 a été obtenu pour différents matériaux et ne dépend pas de la température.
Source : https://doi.org/10.1002/cphc.201700023
Le mécanisme des croquettes porte le nom de ZurekTom V. B. Kibble, pionnier dans l'étude de la formation de structures de domaines dans l'Univers primitif, et Wojciech H. Zurek, qui a associé le nombre de défauts créés aux paramètres critiques de la transition et à sa vitesse.
Le mécanisme Kibble-Zurek prédit combiende ces défauts sont à prévoir. En termes simples, de combien de mini-aimants le matériau sera-t-il finalement composé ? Il est à noter que le nombre de ces défauts est universel et ne dépend donc pas de détails microscopiques. Cela signifie que de nombreux matériaux différents se comportent exactement de la même manière, même si leur composition microscopique est complètement différente.
Le mécanisme Kibble-Zurek et la formation des galaxies après le Big Bang
Initialement, le mécanisme Kibble-Zurek a été introduitpour expliquer la formation de la structure dans l'Univers. Après le Big Bang, il était initialement complètement homogène, ce qui signifie que toute la matière qui le contenait était répartie uniformément. Pendant longtemps, on ne savait pas comment des galaxies, des étoiles ou des planètes pouvaient se former à partir d’un état aussi homogène.
Dans ce contexte, le mécanisme Kibble-Zurekvous aide à comprendre ce qui s'est passé. À mesure que l’Univers se refroidissait, des défauts se développaient comme des aimants. Et si ces processus dans le monde macroscopique sont bien étudiés, il existe un type de transitions de phase sur lequel il n’a pas encore été testé. Nous parlons spécifiquement de transitions de phase quantique.
Expansion de l'univers, rendu 3D. Photo: angel_nt
Le problème est qu'ils n'existent que lorsquetempérature zéro absolu : −273 °C. Cela signifie que la transition de phase ne se produit pas pendant le refroidissement, mais en raison d'un changement dans l'énergie d'interaction. Par exemple, lorsque la pression change."
Qu'ont fait les scientifiques ?
Dans une nouvelle étude, les scientifiques ont modéliséune telle transition de phase quantique sur un superordinateur (à l'aide de réseaux de neurones artificiels). Ainsi, ils ont montré pour la première fois que le mécanisme Kibble-Zurek, qui explique la naissance de l’Univers, est également applicable dans le monde quantique. Comme le notent les auteurs de l’étude, ce résultat n’était « pas évident ». Il a fallu beaucoup d'efforts pour les prouver. Les nouvelles recherches permettront aux physiciens de mieux décrire la dynamique des systèmes de mécanique quantique de nombreuses particules. Et donc de mieux comprendre les règles qui régissent ce monde exotique.
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