Прорачуни које су научници хтели да изврше били су толико сложени да то нису могли да ураде чак ни суперкомпјутери.
Како функционише квантни свет?
Израчунај кретање једне билијарске лоптерелативно једноставно. Али предвиђање путање милион гасних честица у посуди, које се непрестано сударају, коче и скрећу, много је теже. Ако није јасно којом се тачно брзином креће свака честица, онда имају бесконачан број могућих опција у било ком тренутку. Битна је само вероватноћа.
Слична ситуација постоји у квантном свету:квантномеханичке честице могу истовремено поседовати сва потенцијално могућа својства. Ово чини простор стања квантних механичких система невероватно великим. За моделирање интеракције квантних честица једна са другом, потребно је узети у обзир сва њихова варијантна стања. И то је невероватно тешко.
Поента је да су рачунарски захтевирасту експоненцијално са бројем честица. Ако узмете више од 40 честица, онда чак ни најбржи суперкомпјутери неће моћи да се носе са њима. Ово је један од највећих изазова у квантној физици.
Како поједноставити задатак?
У новој студији научници су користилиметоде из области машинског учења — вештачке неуронске мреже. Уз њихову помоћ, могуће је преформулисати квантно механичко стање, чинећи га компјутерским контролисаним.
Концепт дигиталне трансформације вештачке интелигенције. Фото: равпикел.цом
Используя этот метод, физики исследовали важное теоретическое предсказание, которое до сих пор оставалось невыясненным, — квантовый механизм Киббла — Зурека. Он описывает динамическое поведение физических систем при так называемом квантовом фазовом переходе. Простой пример фазового перехода — когда вода превращается в лед. Другой пример — размагничивание магнита при высоких температурах.
Али&нбсп;ако урадите супротно&нбсп;и обрнуто,и охлади материјал, магнет ће поново почети да "ради" испод одређене критичне температуре. Међутим, то се дешава неједнако у целом материјалу. Уместо тога, многи мали магнети се стварају истовремено са њиховим северним и јужним полом који су различито поравнати. Као резултат, добијени магнет је заправо мозаик од много различитих мањих магнета. Поред тога, биће неисправан.
Ранее, в другом исследовании, ученые подтвердили масштабирование Киббла — Зурека для дефектообразования в нематической жидкокристаллической системе. Там переход от однородного состояния к дефектному достигли, используя электрическое поле. Масштабный показатель α=1/2 получили для различных материалов и не зависит от температуры.
Источник: https://doi.org/10.1002/cphc.201700023
Механизм Киббла — Зурека назван в честь Тома В. Б. Киббла , который был пионером в изучении формирования доменной структуры в ранней Вселенной, и Войцеха Х. Зурека, который связал количество создаваемых дефектов с критическими показателями перехода и с его скоростью.
Механизм Киббла — Зурека предсказывает, сколько из этих дефектов следует ожидать. Проще говоря, из скольких мини-магнитов в конечном итоге будет состоять материал. Примечательно, что число этих дефектов — универсально и, таким образом, не зависит от микроскопических деталей. А, значит, многие разные материалы ведут себя совершенно одинаково, даже если их микроскопический состав совершенно разный.
Механизм Киббла — Зурека и образование галактик после Большого взрыва
Первоначально механизм Киббла — Зурека ввели, чтобы объяснить формирование структуры во Вселенной. После Большого взрыва она, изначально, была полностью однородной, а, значит, вся вмещающая материя распределилась равномерно. Долгое время было неясно, как из такого однородного состояния могли образоваться галактики, звезды или планеты.
В этом контексте механизм Киббла — Зурека помогает понять, что произошло. По мере остывания Вселенной, дефекты развивались подобно магнитам. И, если эти процессы в макроскопическом мире хорошо изучены, есть один тип фазовых переходов, на котором еще не удалось его проверить. Речь идет именно о квантовых фазовых переходах.
Проширење универзума, 3Д рендеровање. Фотографија: ангел_нт
Проблема в том, что они существуют только при температуре абсолютного нуля: это −273 °C. А, значит, фазовый переход происходит не при охлаждении, а за счет изменения энергии взаимодействия. Например, при изменении давления».
Шта су научници урадили?
В рамках нового исследования ученые смоделировали такой квантовый фазовый переход на суперкомпьютере (как раз с помощью искусственных нейросетей). Таким образом, они впервые показали, что механизм Киббла — Зурека, который объясняет рождение Вселенной, применимо и в квантовом мире. Как отмечают авторы исследования, этот вывод был «не был очевидным». Требовалось немало усилий, чтобы доказать их. Новое исследование позволит физикам лучше описать динамику квантово-механических систем многих частиц. А, значит, более точно понять правила, которые управляют этим экзотическим миром.
Опширније:
Чудовишна црна рупа пронађена је у „дворишту” Земље: веома је близу наше планете
НАСА је открила порекло Хаумее - најмистериозније планете у Сунчевом систему
Веб је фотографисао Стубове стварања. Упоредите како их је Хабл снимио раније
На обложке: NASA’s Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab