محققان به سوال اساسی فیزیک کوانتوم پاسخ می دهند

22 سپتامبر 2022 – توسط مایکل هالرمایر، دانشگاه آگسبورگ

تصویر شماتیکی از دینامیک در یک انتقال فاز در یک مدل دوبعدی اسپین 1/2. در حالت پارامغناطیس اولیه (پایین)، اسپین ها با جهت میدان مغناطیسی عرضی همسو می شوند. اندازه‌گیری پیکربندی چرخش در آن حالت در امتداد جهت ترتیب، معمولاً یک الگوی تصادفی از چرخش‌ها به سمت بالا (مخروط‌های آبی) یا پایین (مخروط‌های قرمز) به دست می‌دهد. پس از یک رمپ آهسته در یک نقطه بحرانی کوانتومی، سیستم یک برهم نهی کوانتومی از حوزه‌های فرومغناطیسی ایجاد می‌کند، که با اندازه‌گیری پیکربندی‌های اسپین در امتداد جهت ترتیب، معمولاً یک فروپاشی روی موزاییکی از این حوزه‌ها (بالا) ایجاد می‌کند. در نمای جلو، ما رشد دامنه همبستگی فرومغناطیسی را به عنوان تابعی از زمان t که از t = -τQ شروع می شود، در نظر می گیریم، همانطور که سطح شیب دار در رژیم بحرانی با نقطه بحرانی واقع در t = 0 پیش می رود. طول بهبود ξˆ که تعیین می کند. اندازه دامنه ها در مکانیسم کیبل-زورک (KZ) در زمان مشخصه ∣∣t∣GS از حداکثر سرعت صدای مربوطه، c، در سیستم تجاوز می کند. اعتبار: پیشرفت علم (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abl6850

یک تیم بین المللی از فیزیکدانان با مشارکت دانشگاه آگسبورگ برای اولین بار یک پیش بینی نظری مهم در فیزیک کوانتومی را تایید کردند. محاسبات برای این امر به قدری پیچیده است که تا کنون ثابت شده است که حتی برای ابررایانه ها نیز بسیار سخت است. با این حال، محققان موفق شدند با استفاده از روش‌هایی از حوزه یادگیری ماشینی، آن‌ها را تا حد زیادی ساده‌سازی کنند. این مطالعه درک اصول اساسی دنیای کوانتومی را بهبود می بخشد. در مجله Science Advances منتشر شده است.

محاسبه حرکت یک توپ بیلیارد نسبتا ساده است. با این حال، پیش‌بینی مسیر انبوهی از ذرات گاز در یک کشتی که دائماً در حال برخورد، کاهش سرعت و انحراف هستند، بسیار دشوارتر است. اما اگر حتی به طور دقیق مشخص نباشد که هر ذره با چه سرعتی حرکت می کند، چه می شود، به طوری که آنها در هر زمان معین سرعت های ممکن بی شماری داشته باشند که فقط در احتمال آنها متفاوت است؟

وضعیت در دنیای کوانتومی نیز مشابه است: ذرات مکانیکی کوانتومی حتی می‌توانند تمام خواص بالقوه ممکن را به طور همزمان داشته باشند. این باعث می شود فضای حالت سیستم های مکانیکی کوانتومی بسیار بزرگ باشد. اگر قصد دارید نحوه تعامل ذرات کوانتومی با یکدیگر را شبیه سازی کنید، باید فضاهای حالت کامل آنها را در نظر بگیرید.

پروفسور دکتر مارکوس هیل از موسسه فیزیک دانشگاه آگسبورگ می گوید: “و این بسیار پیچیده است.” تلاش محاسباتی به طور تصاعدی با تعداد ذرات افزایش می‌یابد. با بیش از 40 ذره، آنقدر بزرگ است که حتی سریع‌ترین ابررایانه‌ها نیز قادر به مقابله با آن نیستند. این یکی از چالش‌های بزرگ فیزیک کوانتومی است.

شبکه های عصبی مشکل را قابل مدیریت می کنند

برای ساده‌سازی این مشکل، گروه هیل از روش‌هایی از حوزه یادگیری ماشین – شبکه‌های عصبی مصنوعی استفاده کردند. با اینها می توان حالت مکانیکی کوانتومی را دوباره فرموله کرد. Heyl توضیح می‌دهد: «این باعث می‌شود آن را برای رایانه‌ها مدیریت کنیم.

با استفاده از این روش، دانشمندان یک پیش‌بینی نظری مهم را بررسی کرده‌اند که تاکنون یک چالش برجسته باقی مانده است – مکانیسم کوانتومی کیبل-زورک. این رفتار دینامیکی سیستم های فیزیکی را در آنچه که انتقال فاز کوانتومی نامیده می شود، توصیف می کند. نمونه ای از انتقال فاز از دنیای ماکروسکوپیک و شهودی تر، انتقال از آب به یخ است. مثال دیگر مغناطیس زدایی آهنربا در دماهای بالا است.

اگر به سمت دیگر بروید و مواد را خنک کنید، آهنربا در زیر دمای بحرانی خاص دوباره شروع به تشکیل می‌کند. با این حال، این به طور مساوی در کل مواد اتفاق نمی افتد. درعوض، آهنرباهای کوچک زیادی با قطب شمال و جنوب هم تراز متفاوتی ایجاد می شود. بنابراین، آهنربای حاصل در واقع موزاییکی از آهنرباهای مختلف و کوچکتر است. فیزیکدانان نیز می گویند که دارای نقص است.

مکانیسم Kibble-Zurek پیش بینی می کند که چه تعداد از این نقص ها قابل انتظار است (به عبارت دیگر، مواد در نهایت از چند آهنربای کوچک تشکیل خواهند شد). نکته جالب توجه این است که تعداد این نقص ها جهانی است و بنابراین مستقل از جزئیات میکروسکوپی است. بر این اساس، بسیاری از مواد مختلف دقیقاً یکسان رفتار می کنند، حتی اگر ترکیب میکروسکوپی آنها کاملاً متفاوت باشد.

مکانیسم کیبل-زورک و شکل گیری کهکشان ها پس از انفجار بزرگ

مکانیسم کیبل-زورک در ابتدا برای توضیح شکل گیری ساختار در جهان معرفی شد. پس از انفجار بزرگ، جهان در ابتدا کاملاً همگن بود، به این معنی که ماده میزبان کاملاً به طور مساوی توزیع شده است. برای مدت طولانی مشخص نبود که چگونه کهکشان ها، خورشیدها یا سیارات از چنین حالت همگنی تشکیل شده اند.

در این زمینه مکانیسم Kibble-Zurek توضیحی ارائه می دهد. هنگامی که جهان در حال خنک شدن بود، نقص هایی به روشی مشابه آهنربا ایجاد شد. در این میان این فرآیندها در دنیای ماکروسکوپی به خوبی درک می شوند. اما یک نوع انتقال فاز وجود دارد که هنوز امکان تأیید اعتبار مکانیزم برای آن وجود ندارد – یعنی انتقال فاز کوانتومی که قبلاً ذکر شد. هیل توضیح می دهد: «آنها فقط در دمای صفر مطلق 273- درجه سانتیگراد وجود دارند. بنابراین، انتقال فاز در طول خنک‌سازی اتفاق نمی‌افتد، بلکه از طریق تغییرات در انرژی برهم‌کنش رخ می‌دهد – شاید بتوان به تغییر فشار فکر کرد.

اکنون دانشمندان چنین انتقال فاز کوانتومی را در یک ابر رایانه شبیه‌سازی کرده‌اند. بنابراین آنها توانستند برای اولین بار نشان دهند که مکانیسم کیبل-زورک در دنیای کوانتومی نیز کاربرد دارد. فیزیکدان آگسبورگ می گوید: «این به هیچ وجه یک نتیجه گیری واضح نبود. “مطالعه ما به ما امکان می دهد تا دینامیک سیستم های مکانیکی کوانتومی بسیاری از ذرات را بهتر توصیف کنیم و از این رو قوانین حاکم بر این دنیای عجیب و غریب را با دقت بیشتری درک کنیم.”