Схематическое изображение динамики фазового перехода в двумерной модели со спином 1/2. В начальном парамагнитном состоянии (внизу) спины ориентируются по направлению поперечного магнитного поля. Измерение конфигурации спинов в этом состоянии вдоль направления упорядочения обычно дает случайный набор спинов, направленных вверх (синие конусы) или вниз (красные конусы). После медленного перехода через квантовую критическую точку в системе развивается квантовая суперпозиция ферромагнитных доменов, которая при измерении спиновых конфигураций вдоль направления упорядочения обычно приводит к коллапсу на мозаику таких доменов (вверху). На лицевой стороне учтем рост диапазона ферромагнитной корреляции в зависимости от времени t, начиная с t = −τ Qпо мере прохождения рампы через критический режим с критической точкой, расположенной при t = 0. Длина восстановления ξˆ, определяющая размер доменов в механизме Киббла-Зурека (KZ), устанавливается в характерное время ∣∣t∣GS превышает максимальную скорость соответствующего звука c в системе. Предоставлено: Научные достижения (2022 г.). DOI: 10.1126/sciadv.abl6850

Международная группа физиков при участии Аугсбургского университета впервые подтвердила важное теоретическое предсказание в квантовой физике. Вычисления для этого настолько сложны, что до сих пор оказывались слишком требовательными даже для суперкомпьютеров. Однако исследователям удалось значительно упростить их, используя методы из области машинного обучения. Исследование улучшает понимание фундаментальных принципов квантового мира. Она была опубликована в журнале Science Advances.

Расчет движения одиночного бильярдного шара относительно прост. Однако предсказать траектории множества частиц газа в сосуде, постоянно сталкивающихся, тормозящихся и отклоняющихся, гораздо сложнее. Но что, если даже совсем не ясно, с какой именно скоростью движется каждая частица, так что они имели бы бесчисленное количество возможных скоростей в любой данный момент времени, отличаясь только своей вероятностью?

Аналогичная ситуация и в квантовом мире: квантово-механические частицы могут одновременно обладать всеми потенциально возможными свойствами. Это делает пространство состояний квантово-механических систем чрезвычайно большим. Если вы хотите смоделировать взаимодействие квантовых частиц друг с другом, вы должны учитывать их полные пространства состояний.

«И это чрезвычайно сложно», — говорит профессор доктор Маркус Хейл из Института физики Аугсбургского университета. «Вычислительные усилия возрастают экспоненциально с увеличением количества частиц. При наличии более 40 частиц они уже настолько велики, что даже самые быстрые суперкомпьютеры не в состоянии с ними справиться. Это одна из величайших задач квантовой физики ».

Нейронные сети делают проблему управляемой

Чтобы упростить эту задачу, группа Хейла использовала методы из области машинного обучения — искусственные нейронные сети . С их помощью можно переформулировать квантово-механическое состояние. «Это делает его управляемым для компьютеров», — объясняет Хейл.

Используя этот метод, ученые 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. Примером фазового перехода из макроскопического и более интуитивного мира является переход от воды к льду. Другой пример — размагничивание магнита при высоких температурах.

Если пойти наоборот и охладить материал, магнит снова начнет формироваться ниже определенной критической температуры. Однако это происходит неравномерно по всему материалу. Вместо этого одновременно создается множество маленьких магнитов с по-разному выровненными северным и южным полюсами. Таким образом, получившийся магнит на самом деле представляет собой мозаику из множества разных магнитов меньшего размера. Физики также говорят, что он содержит дефекты.

Механизм Киббла-Зурека предсказывает, сколько из этих дефектов следует ожидать (другими словами, из скольких мини-магнитов в конечном итоге будет состоять материал). Что особенно интересно, так это то, что число этих дефектов является универсальным и, таким образом, не зависит от микроскопических деталей. Соответственно, 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 был введен для объяснения формирования структуры во Вселенной. После Большого взрыва Вселенная изначально была полностью однородной, а это означает, что вмещающая материя была распределена совершенно равномерно. Долгое время было непонятно, как из такого однородного состояния могли образоваться галактики, солнца или планеты.

В этом контексте механизм Киббла-Зурека дает объяснение. По мере остывания Вселенной дефекты развивались подобно магнитам. Между тем эти процессы в макроскопическом мире хорошо изучены. Но есть один тип фазовых переходов, для которого еще не удалось проверить правильность механизма, а именно квантовые фазовые переходы, уже упомянутые ранее. «Они существуют только при температуре абсолютного нуля -273 градуса по Цельсию», — объясняет Хейл. «Значит, фазовый переход происходит не при охлаждении, а за счет изменения энергии взаимодействия — можно подумать, пожалуй, об изменении давления».

Сейчас ученые смоделировали такой квантовый фазовый переход на суперкомпьютере. Таким образом, они смогли впервые показать, что механизм Киббла-Зурека применим и в квантовом мире. «Это ни в коем случае не было очевидным выводом», — говорит аугсбургский физик. «Наше исследование позволяет нам лучше описать динамику квантово- механических систем многих частиц и, следовательно, более точно понять правила, управляющие этим экзотическим миром».

Ссылки по теме:

• Источник: Phys.org