Обчислення, які хотіли провели вчені були настільки складні, що не були під силу навіть суперкомп'ютерам.
Як працює квантовий світ?
Розрахувати рух однієї більярдної куліщодо просто. Але передбачити траєкторії мільйон частинок газу в судинах, які постійно стикаються, гальмують і відхиляються, набагато складніше. Якщо неясно, з якою саме швидкістю рухається кожна частка, то у них є незліченна кількість можливих варіантів на будь-який даний момент часу. Важлива лише ймовірність.
Аналогічна ситуація і в квантовому світі:квантово-механічні частинки можуть одночасно мати всі потенційно можливі властивості. Це робить простір станів квантово-механічних систем неймовірно великим. Щоб змоделювати взаємодію квантових частинок один з одним, необхідно враховувати всі їх варіанти станів. І це неймовірно складно.
Справа в тому, що обчислювальні вимогизростають експоненційно з зростанням кількості частинок. Якщо взяти більше 40 частинок, то навіть найшвидші суперкомп'ютери не в стані впоратися. Це одне з найбільших завдань квантової фізики.
Як спростити завдання?
В рамках нового дослідження вчені використалиметоди з області машинного навчання - штучні нейронні мережі. За допомогою їх можна переформулювати квантово-механічний стан, що робить його керованим для комп'ютерів.
Концепція цифрової трансформації штучного інтелекту. Фото: rawpixel.com
Використовуючи цей метод, фізики досліджували важливетеоретичне передбачення, яке досі залишалося нез'ясованим, квантовий механізм Кіббла - Зурека. Він описує динамічну поведінку фізичних систем при так званому квантовому фазовому переході. Простий приклад фазового переходу – коли вода перетворюється на лід. Інший приклад - розмагнічування магніту при високих температурах.
Але якщо зробити зворотне і, навпаки,і охолодити матеріал, магніт знову почне «працювати» нижче певної критичної температури. Однак це відбувається нерівномірно по всьому матеріалу. Натомість одночасно створюється безліч маленьких магнітів з по-різному вирівняними північним і південним полюсами. В результаті, магніт, що вийшов, насправді мозаїка з безлічі різних магнітів меншого розміру. Крім того, він буде дефектним.
Раніше в іншому дослідженні вчені підтвердилимасштабування Кіббла - Зурека для дефектоутворення в нематичній рідкокристалічній системі. Там перехід від однорідного стану до дефектного досягли, використовуючи електричне поле. Масштабний показник α=1/2 отримали для різних матеріалів і не залежить від температури.
Джерело: https://doi.org/10.1002/cphc.201700023
Механізм Кіббла - Зурека названий на честьТома В. Б.; Кіббла, який був піонером в вивченні формування доменної структури в ранньому Всесвіті, і Войцеха Х. Зурека, який пов'язав кількість створюваних дефектів з критичними показниками переходу і його швидкістю.
Механізм Кіббла - Зурека передбачає, скількиз цих дефектів слід очікувати. Простіше кажучи, з кількох міні-магнітів в кінцевому підсумку буде складатися матеріал. Примітно, що число цих дефектів - універсально і, таким чином, не залежить від мікроскопічних деталей. А, значить, багато різних матеріалів поводяться абсолютно однаково, навіть якщо їх мікроскопічний склад абсолютно різний.
Механізм Кіббла - Зурека і утворення галактик після Великого вибуху
Спочатку механізм Кіббла - Зурека ввели,щоб пояснити формування структури у Всесвіті. Після Великого вибуху вона, спочатку, була повністю однорідною, отже, вся вміщаюча матерія розподілилася рівномірно. Довгий час було неясно, як з такого однорідного стану могли утворитися галактики, зірки або планети.
У цьому контексті механізм Кіббла — Зурека.допомагає зрозуміти, що сталося. За мірою охолодження Всесвіту, дефекти розвивалися подібно до магнітів. І, якщо ці процеси в макроскопічному світі добре вивчені, є один тип фазових переходів, на якому ще не вдалося його перевірити. Йдеться саме про квантові фазові переходи.
Розширення всесвіту, 3D-рендерінг. Фото: angel_nt
Проблема в тому, що вони існують тільки притемпературі абсолютного нуля: −273 °C. А, значить, фазовий перехід відбувається не при охолодженні, а за рахунок зміни енергії взаємодії. Наприклад, за зміни тиску».
Що зробили вчені?
У рамках нового дослідження вчені змоделювалитакий квантовий фазовий перехід на суперкомп'ютері (якраз із допомогою штучних нейромереж). Таким чином, вони вперше показали, що механізм Кібла - Зурека, який пояснює народження Всесвіту, застосовно і в квантовому світі. Як зазначають автори дослідження, цей висновок був «не був очевидним». Потрібно було чимало зусиль, щоб довести їх. Нове дослідження дозволить фізикам краще описати динаміку квантово-механічних систем багатьох часток. Отже, точніше зрозуміти правила, які керують цим екзотичним світом.
Читати далі:
Чорну діру-монстр знайшли на задньому дворі Землі: вона дуже близько до нашої планети
НАСА розкрило походження Хаумеї — найзагадковішої планети Сонячної системи
"Вебб" сфотографував "Стовпи Творіння". Порівняйте, як їх раніше зняв «Хаббл»
На обкладинці: NASA’s Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab