科学者たちが実行しようとした計算は非常に複雑だったので、スーパーコンピューターでも実行できませんでした。
量子の世界はどのように機能しますか?
1 つのビリヤード ボールの動きを計算する比較的単純です。しかし、絶えず衝突し、ブレーキをかけ、偏向する容器内の 100 万個のガス粒子の軌道を予測することは、はるかに困難です。各パーティクルがどのような速度で移動しているのかが正確に不明な場合、任意の時点で考えられるオプションは無限にあります。重要なのは確率だけです。
同様の状況が量子の世界にも存在します。量子力学的粒子は、潜在的に可能なすべての特性を同時に持つことができます。これにより、量子力学システムの状態空間が信じられないほど大きくなります。量子粒子間の相互作用をモデル化するには、それらのすべてのバリアント状態を考慮する必要があります。そしてそれは信じられないほど難しいです。
重要なのは、コンピューティング要件が粒子の数とともに指数関数的に増加します。 40 個を超える粒子を取り込むと、最速のスーパーコンピューターでも処理できなくなります。これは量子物理学の最大の課題の 1 つです。
タスクを簡素化する方法は？
新しい研究で科学者たちは次のことを使用しました。機械学習分野の手法、つまり人工ニューラル ネットワーク。彼らの助けを借りて、量子力学的状態を再定式化し、コンピューターで制御できるようにすることが可能です。
人工知能のデジタル変換のコンセプト。写真：rawpixel.com
この方法を使用して、物理学者は重要な研究を行いましたこれまでのところ不明瞭な理論的予測は、量子キブル・ズレック機構です。これは、いわゆる量子相転移中の物理システムの動的挙動を記述します。相変化の簡単な例は、水が氷に変わるときです。別の例は、高温での磁石の減磁です。
しかし、その逆を行ったり、その逆を行ったりすると、材料を冷却すると、磁石は特定の臨界温度以下で再び「機能」し始めます。ただし、これは材料全体で不均一に発生します。代わりに、N 極と S 極が異なる位置に配置された多数の小さな磁石が同時に作成されます。その結果、実際には、多くの異なる小さな磁石のモザイクが得られます。また、不良品となります。
以前、別の研究で科学者たちは、ネマチック液晶システムにおける欠陥形成のための Kibble-Zurek スケーリング。そこでは、電場を使用して均質状態から欠陥状態への移行が達成されました。スケール指数 α=1/2 はさまざまな材料に対して得られ、温度には依存しません。
出典: https://doi.org/10.1002/cphc.201700023
キブルのメカニズム - ズレックの名前はトム V. B.初期宇宙におけるドメイン構造形成研究の先駆者である Kibble と、生成された欠陥の数を遷移とその速度の重要なパラメーターに関連付けた Wojciech H. Zurek です。
Kibble-Zurek メカニズムは、どれくらいの量を予測しますかこれらの欠陥のうちの 1 つは予期されるものです。簡単に言えば、材料は最終的にいくつのミニ磁石で構成されますか?これらの欠陥の数は普遍的であり、したがって微細な詳細には依存しないことは注目に値します。これは、たとえ微細な組成が完全に異なっていても、多くの異なる材料がまったく同じように動作することを意味します。
キブル・ズレック機構とビッグバン後の銀河の形成
当初、Kibble-Zurek メカニズムが導入されました宇宙の構造形成を説明します。ビッグバンの後、最初は完全に均質でした。これは、含まれているすべての物質が均一に分布していたことを意味します。長い間、このような均質な状態から銀河、星、惑星がどのようにして形成されるのかは不明でした。
これに関連して、Kibble-Zurek メカニズムは何が起こったのかを理解するのに役立ちます。宇宙が冷えるにつれて、磁石のように欠陥が発生しました。そして、巨視的な世界でのこれらのプロセスがよく研究されているとしても、まだテストすることが不可能なタイプの相転移が 1 つ存在します。私たちは特に量子相転移について話しています。
宇宙の拡大、3D レンダリング。写真：angel_nt
問題は、それらが存在するのは次の場合だけであるということです。絶対零度温度: -273 °C。これは、相転移が冷却中に起こるのではなく、相互作用エネルギーの変化によって起こることを意味します。たとえば、圧力が変化したときです。」
科学者たちは何をしましたか？
新しい研究で、科学者たちは次のことをモデル化しました。このような量子相転移はスーパーコンピューター上で (人工ニューラル ネットワークの助けを借りて) 行われます。このようにして、彼らは、宇宙の誕生を説明するキブル・ズレック機構が量子の世界にも適用できることを初めて示した。研究著者らが指摘しているように、この発見は「自明ではない」。それらを証明するには多大な努力が必要でした。新しい研究により、物理学者は多くの粒子の量子力学的システムのダイナミクスをより適切に説明できるようになります。したがって、このエキゾチックな世界を支配するルールをより正確に理解する必要があります。
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表紙: NASA ゴダード宇宙飛行センター概念画像ラボ