การคำนวณที่นักวิทยาศาสตร์ต้องการดำเนินการนั้นซับซ้อนมากจนแม้แต่ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ก็ไม่สามารถทำได้
โลกควอนตัมทำงานอย่างไร
คำนวณการเคลื่อนที่ของลูกบิลเลียดหนึ่งลูกค่อนข้างง่าย แต่การทำนายวิถีการเคลื่อนที่ของอนุภาคก๊าซนับล้านในถังซึ่งชนกัน เบรก และเบี่ยงอยู่ตลอดเวลานั้นยากกว่ามาก หากไม่ชัดเจนว่าแต่ละอนุภาคเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่าใด แสดงว่าอนุภาคเหล่านั้นมีตัวเลือกที่เป็นไปได้จำนวนอนันต์ ณ จุดใดจุดหนึ่ง ความน่าจะเป็นเท่านั้นที่สำคัญ
สถานการณ์ที่คล้ายกันนี้มีอยู่ในโลกควอนตัม:อนุภาคเชิงกลของควอนตัมสามารถมีคุณสมบัติที่เป็นไปได้ทั้งหมดพร้อมกัน สิ่งนี้ทำให้พื้นที่สถานะของระบบกลไกควอนตัมมีขนาดใหญ่อย่างไม่น่าเชื่อ ในการสร้างแบบจำลองปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคควอนตัมซึ่งกันและกัน จำเป็นต้องคำนึงถึงสถานะความแปรปรวนทั้งหมดด้วย และมันยากอย่างไม่น่าเชื่อ
ประเด็นก็คือความต้องการด้านคอมพิวเตอร์เพิ่มขึ้นแบบทวีคูณตามจำนวนอนุภาค หากคุณรับอนุภาคมากกว่า 40 อนุภาค แม้แต่ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่เร็วที่สุดก็ไม่สามารถรับมือกับพวกมันได้ นี่เป็นหนึ่งในความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในฟิสิกส์ควอนตัม
จะทำให้งานง่ายขึ้นได้อย่างไร?
ในการศึกษาครั้งใหม่นี้นักวิทยาศาสตร์ได้ใช้วิธีการจากสาขาการเรียนรู้ของเครื่อง—โครงข่ายประสาทเทียม ด้วยความช่วยเหลือเหล่านี้ คุณสามารถกำหนดสถานะทางกลของควอนตัมใหม่ได้ ทำให้สามารถควบคุมได้ด้วยคอมพิวเตอร์
แนวคิดการแปลงดิจิทัลปัญญาประดิษฐ์ รูปถ่าย: rawpixel.com
เมื่อใช้วิธีนี้ นักฟิสิกส์จึงศึกษาเรื่องสำคัญการทำนายทางทฤษฎีที่ยังไม่ชัดเจนคือกลไกควอนตัม Kibble-Zurek โดยจะอธิบายพฤติกรรมแบบไดนามิกของระบบกายภาพในระหว่างที่เรียกว่าการเปลี่ยนเฟสควอนตัม ตัวอย่างง่ายๆ ของการเปลี่ยนเฟสคือเมื่อน้ำกลายเป็นน้ำแข็ง อีกตัวอย่างหนึ่งคือการล้างอำนาจแม่เหล็กของแม่เหล็กที่อุณหภูมิสูง
แต่หากคุณทำตรงกันข้าม และในทางกลับกันและทำให้วัสดุเย็นลง แม่เหล็กจะเริ่มทำงานอีกครั้งที่อุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤตที่กำหนด อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้เกิดขึ้นไม่สม่ำเสมอทั่วทั้งวัสดุ ในทางกลับกัน แม่เหล็กขนาดเล็กจำนวนมากถูกสร้างขึ้นพร้อมกันโดยที่ขั้วเหนือและขั้วใต้วางตำแหน่งต่างกัน เป็นผลให้แม่เหล็กที่เกิดขึ้นจริง ๆ แล้วเป็นโมเสกของแม่เหล็กขนาดเล็กที่แตกต่างกันจำนวนมาก นอกจากนี้ก็จะชำรุด
ก่อนหน้านี้ ในการศึกษาอื่น นักวิทยาศาสตร์ยืนยันการปรับขนาด Kibble-Zurek สำหรับการสร้างข้อบกพร่องในระบบคริสตัลเหลวแบบ nematic ที่นั่น การเปลี่ยนจากสถานะที่เป็นเนื้อเดียวกันไปเป็นสถานะที่มีข้อบกพร่องทำได้สำเร็จโดยใช้สนามไฟฟ้า ได้รับดัชนีสเกล α=1/2 สำหรับวัสดุหลายชนิด และไม่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ
ที่มา: https://doi.org/10.1002/cphc.201700023
กลไก Kibble—Zurek ได้รับการตั้งชื่อตามทอม วี. B. Kibble ผู้บุกเบิกการศึกษาการสร้างโครงสร้างโดเมนในเอกภพยุคแรก และ Wojciech H. Zurek ผู้เกี่ยวข้องกับจำนวนข้อบกพร่องที่สร้างขึ้นกับพารามิเตอร์วิกฤตของการเปลี่ยนแปลงและความเร็ว
กลไก Kibble-Zurek ทำนายได้เท่าไหร่ข้อบกพร่องเหล่านี้เป็นสิ่งที่คาดหวังได้ พูดง่ายๆ ก็คือ วัสดุจะมีแม่เหล็กขนาดเล็กจำนวนเท่าใดในท้ายที่สุด? เป็นที่น่าสังเกตว่าจำนวนของข้อบกพร่องเหล่านี้เป็นสากล ดังนั้นจึงไม่ได้ขึ้นอยู่กับรายละเอียดด้วยกล้องจุลทรรศน์ ซึ่งหมายความว่าวัสดุที่แตกต่างกันหลายชนิดมีพฤติกรรมในลักษณะเดียวกัน แม้ว่าองค์ประกอบระดับจุลภาคจะแตกต่างกันโดยสิ้นเชิงก็ตาม
กลไก Kibble-Zurek และการก่อตัวของกาแลคซีหลังบิ๊กแบง
เริ่มแรกมีการนำกลไก Kibble-Zurek มาใช้เพื่ออธิบายการกำเนิดโครงสร้างในจักรวาล หลังจากบิ๊กแบง ในตอนแรกมันเป็นเนื้อเดียวกันโดยสมบูรณ์ ซึ่งหมายความว่าสสารที่บรรจุอยู่ทั้งหมดจะถูกกระจายอย่างเท่าเทียมกัน เป็นเวลานานแล้วที่ไม่ชัดเจนว่ากาแลคซี ดวงดาว หรือดาวเคราะห์สามารถก่อตัวจากสภาวะที่เป็นเนื้อเดียวกันได้อย่างไร
ในบริบทนี้ กลไก Kibble-Zurekช่วยให้คุณเข้าใจสิ่งที่เกิดขึ้น เมื่อจักรวาลเย็นลง ข้อบกพร่องก็พัฒนาเหมือนแม่เหล็ก และหากกระบวนการเหล่านี้ในโลกขนาดมหภาคได้รับการศึกษาอย่างดี จะมีการเปลี่ยนเฟสประเภทหนึ่งที่ยังไม่สามารถทดสอบได้ เรากำลังพูดถึงการเปลี่ยนเฟสควอนตัมโดยเฉพาะ
การขยายตัวของจักรวาล, การเรนเดอร์ 3 มิติ รูปถ่าย: angel_nt
ปัญหาคือพวกมันจะมีอยู่ก็ต่อเมื่อเท่านั้นอุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์: −273 °C ซึ่งหมายความว่าการเปลี่ยนเฟสไม่ได้เกิดขึ้นระหว่างการทำความเย็น แต่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงพลังงานอันตรกิริยา เช่น เมื่อความกดดันเปลี่ยนไป”
นักวิทยาศาสตร์ได้ทำอะไร?
ในการศึกษาครั้งใหม่ นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างแบบจำลองการเปลี่ยนเฟสควอนตัมบนซูเปอร์คอมพิวเตอร์ (ด้วยความช่วยเหลือของโครงข่ายประสาทเทียม) ดังนั้นพวกเขาจึงแสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกว่ากลไก Kibble-Zurek ซึ่งอธิบายการกำเนิดของจักรวาลนั้นสามารถนำไปใช้ในโลกควอนตัมได้เช่นกัน ตามที่ผู้เขียนการศึกษาตั้งข้อสังเกต การค้นพบนี้ “ไม่ชัดเจน” ต้องใช้ความพยายามอย่างมากในการพิสูจน์สิ่งเหล่านี้ งานวิจัยใหม่นี้จะช่วยให้นักฟิสิกส์สามารถอธิบายพลวัตของระบบกลไกควอนตัมของอนุภาคต่างๆ ได้ดีขึ้น ดังนั้นเพื่อทำความเข้าใจกฎเกณฑ์ที่ควบคุมโลกที่แปลกใหม่นี้ให้แม่นยำยิ่งขึ้น
อ่านเพิ่มเติม:
พบหลุมดำสัตว์ประหลาดใน "สนามหลังบ้าน" ของโลก: ใกล้กับโลกของเรามาก
NASA เปิดเผยที่มาของ Haumea - ดาวเคราะห์ลึกลับที่สุดในระบบสุริยะ
Webb ถ่ายภาพ Pillars of Creation เปรียบเทียบว่าฮับเบิลยิงพวกเขาอย่างไรมาก่อน
บนหน้าปก: ห้องปฏิบัติการภาพแนวคิดศูนย์การบินอวกาศก็อดดาร์ดของ NASA