Výpočty, ktoré chceli vedci uskutočniť, boli také zložité, že to nezvládli ani superpočítače.
Ako funguje kvantový svet?
Vypočítajte pohyb jednej biliardovej gulepomerne jednoduché. Ale predpovedať trajektórie milióna častíc plynu v nádobe, ktoré sa neustále zrážajú, brzdia a vychyľujú, je oveľa ťažšie. Ak nie je presne jasné, akou rýchlosťou sa jednotlivé častice pohybujú, potom majú nekonečné množstvo možností v danom časovom bode. Rozhoduje iba pravdepodobnosť.
Podobná situácia existuje v kvantovom svete:kvantovo-mechanické častice môžu mať súčasne všetky potenciálne možné vlastnosti. Vďaka tomu je stavový priestor kvantových mechanických systémov neuveriteľne veľký. Na modelovanie vzájomného pôsobenia kvantových častíc je potrebné vziať do úvahy všetky ich variantné stavy. A je to neuveriteľne ťažké.
Ide o to, že požiadavky na výpočtovú technikurastie exponenciálne s počtom častíc. Ak vezmete viac ako 40 častíc, ani tie najrýchlejšie superpočítače si s nimi neporadia. Toto je jedna z najväčších výziev v kvantovej fyzike.
Ako zjednodušiť úlohu?
V novej štúdii vedci použilimetódy z oblasti strojového učenia — umelé neurónové siete. S ich pomocou je možné preformulovať kvantový mechanický stav, vďaka čomu je ovládateľný počítačmi.
Koncept digitálnej transformácie umelej inteligencie. Foto: rawpixel.com
Pomocou tejto metódy fyzici skúmali dôležitéteoretická predpoveď, ktorá doteraz zostala nejasná, je kvantový mechanizmus Kibble-Zurek. Popisuje dynamické správanie fyzikálnych systémov počas takzvaného kvantového fázového prechodu. Jednoduchým príkladom fázovej zmeny je, keď sa voda zmení na ľad. Ďalším príkladom je demagnetizácia magnetu pri vysokých teplotách.
Ale ak urobíte opak a naopak,a ochladzujte materiál, magnet opäť začne „pracovať“ pod určitou kritickou teplotou. To sa však vyskytuje nerovnomerne v celom materiáli. Namiesto toho sa súčasne vytvára veľa malých magnetov, pričom ich severný a južný pól sú zarovnané odlišne. Výsledkom je, že výsledný magnet je vlastne mozaikou mnohých rôznych menších magnetov. Okrem toho bude vadný.
Predtým v inej štúdii vedci potvrdiliKibble-Zurek škálovanie pre tvorbu defektov v nematických tekutých kryštáloch. Tam sa pomocou elektrického poľa dosiahol prechod z homogénneho stavu do defektného stavu. Index mierky α=1/2 bol získaný pre rôzne materiály a nezávisí od teploty.
Zdroj: https://doi.org/10.1002/cphc.201700023
Mechanizmus granulí — Zurek je pomenovaný poTom V. B. Kibble, ktorý bol priekopníkom v štúdiu tvorby doménových štruktúr v ranom vesmíre, a Wojciech H. Zurek, ktorý spojil počet vytvorených defektov s kritickými parametrami prechodu a jeho rýchlosťou.
Mechanizmus Kibble-Zurek predpovedá koľkoz týchto vád treba očakávať. Zjednodušene povedané, z koľkých minimagnetov bude materiál nakoniec pozostávať? Je pozoruhodné, že počet týchto defektov je univerzálny, a teda nezávisí od mikroskopických detailov. To znamená, že mnoho rôznych materiálov sa správa úplne rovnako, aj keď ich mikroskopické zloženie je úplne odlišné.
Mechanizmus Kibble-Zurek a vznik galaxií po Veľkom tresku
Spočiatku bol predstavený mechanizmus Kibble-Zurekvysvetliť formovanie štruktúry vo vesmíre. Po Veľkom tresku bola spočiatku úplne homogénna, čo znamená, že všetka hmota obsahujúca bola rozložená rovnomerne. Dlho nebolo jasné, ako môžu galaxie, hviezdy alebo planéty vzniknúť z takého homogénneho stavu.
V tejto súvislosti mechanizmus Kibble-Zurekvám pomôže pochopiť, čo sa stalo. Ako sa vesmír ochladzoval, defekty sa vyvíjali ako magnety. A ak sú tieto procesy v makroskopickom svete dobre preštudované, existuje jeden typ fázových prechodov, na ktorých to ešte nebolo možné otestovať. Hovoríme konkrétne o kvantových fázových prechodoch.
Rozšírenie vesmíru, 3D vykresľovanie. Foto: angel_nt
Problém je v tom, že existujú len vtedyteplota absolútnej nuly: -273 °C. To znamená, že k fázovému prechodu nedochádza počas ochladzovania, ale v dôsledku zmeny interakčnej energie. Napríklad pri zmene tlaku.“
Čo urobili vedci?
V novej štúdii vedci modelovalitaký kvantový fázový prechod na superpočítači (s pomocou umelých neurónových sietí). Prvýkrát tak ukázali, že mechanizmus Kibble-Zurek, ktorý vysvetľuje zrod vesmíru, je použiteľný aj v kvantovom svete. Ako poznamenávajú autori štúdie, toto zistenie „nebolo zrejmé“. Dokázať ich stálo veľa úsilia. Nový výskum umožní fyzikom lepšie opísať dynamiku kvantových mechanických systémov mnohých častíc. A teda presnejšie pochopiť pravidlá, ktorými sa riadi tento exotický svet.
Čítaj viac:
Na „zadnom dvore“ Zeme bola nájdená monštrum čierna diera: je veľmi blízko našej planéty
NASA odhalila pôvod Haumea – najzáhadnejšej planéty slnečnej sústavy
Webb fotografoval Piliere stvorenia. Porovnajte, ako ich predtým zastrelil Hubble
Na obálke: Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab od NASA