Leven we in een computersimulatie? Intrigerend, de kern van deze vraag ligt misschien verborgen in een exotisch kwantumfenomeen dat in metalen opduikt als reactie op wendingen in de ruimte-tijdgeometrie.

Een terugkerend thema in sciencefiction, beroemdst gepopulariseerd door de filmtrilogie 'Matrix', is of onze fysieke realiteit een computersimulatie is. Hoewel dit een nogal filosofisch idee lijkt, in de theoretische natuurkunde heeft het een interessante wending wanneer het wordt toegepast op computersimulaties van complexe kwantumsystemen.

Hoe kan men zelfs maar proberen een antwoord op deze vraag te geven? In nieuw onderzoek gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang tijdschrift, een team van theoretische natuurkundigen van de Universiteit van Oxford en de Hebreeuwse Universiteit, misschien een manier hebben gevonden om dit antwoord te benaderen.

Terwijl we proberen een computersimulatie van een kwantumfenomeen in metalen aan te pakken, de onderzoekers, Zohar Ringel en Dmitry Kovrizhin, bewijs gevonden dat een dergelijke simulatie principieel onmogelijk is. Preciezer, ze lieten zien hoe de complexiteit van deze simulatie, - dat is te meten in een aantal processoruren, geheugen grootte, en elektriciteitsrekeningen, - stijgt in lijn met het aantal deeltjes dat men zou moeten simuleren.

Als de hoeveelheid rekenkracht die nodig is voor een kwantumsimulatie langzaam toeneemt (bijvoorbeeld lineair) met het aantal deeltjes in het systeem, dan moet men een aantal processors verdubbelen, geheugen, enz. om in dezelfde tijd een dubbel zo groot systeem te kunnen simuleren. Maar als de groei exponentieel is, of met andere woorden als men voor elk extra deeltje het aantal processors moet verdubbelen, geheugen, enzovoort., dan wordt deze taak onhandelbaar. Opmerking, dat zelfs om de informatie over een paar honderd elektronen op een computer op te slaan, je een geheugen nodig hebt dat is opgebouwd uit meer atomen dan er in het heelal zijn.

De onderzoekers identificeerden een bepaald fysiek fenomeen dat door geen enkel lokaal kwantum kan worden vastgelegd:Monte-Carlo-simulatie. Het is een merkwaardig effect, die al tientallen jaren bekend is, maar is alleen indirect gemeten. Op het gebied van de fysica van de gecondenseerde materie, het wordt de "thermische Hall-geleiding" genoemd en in de hoge-energiefysica staat het bekend als een "zwaartekrachtafwijking".

In duidelijke woorden, thermische Hall-geleiding impliceert een opwekking van energiestromen in de richting dwars op beide temperatuurgradiënten, of een draai in de onderliggende geometrie van ruimte-tijd. Aangenomen wordt dat veel fysieke systemen in sterke magnetische velden en bij zeer lage temperaturen dit effect vertonen. Interessant is dat dergelijke kwantumsystemen al decennia lang efficiënte numerieke simulatie-algoritmen ontwijken.

In hun werk, de theoretici toonden aan dat voor systemen die zwaartekrachtafwijkingen vertonen de grootheden die betrokken zijn bij quantum Monte-Carlo-simulaties een negatief teken krijgen of complex worden. Dit verpest de effectiviteit van de Monte-Carlo-aanpak door middel van wat bekend staat als "het tekenprobleem". Het vinden van een oplossing voor "het tekenprobleem" zou grootschalige kwantumsimulaties mogelijk maken, zodat het bewijs dat dit probleem voor sommige systemen niet kan worden opgelost, is een belangrijke.

'Ons werk biedt een intrigerend verband tussen twee schijnbaar ongerelateerde onderwerpen:zwaartekrachtafwijkingen en computationele complexiteit. Het laat ook zien dat de thermische Hall-geleiding een echt kwantumeffect is:een effect waarvoor geen lokaal klassiek analoog bestaat', zegt Zohar Ringel, een professor aan de Hebreeuwse Universiteit, en een co-auteur van het papier.

Dit werk brengt ook een geruststellende boodschap voor theoretische fysici. In de samenleving wordt vaak gezegd dat machines de plaats innemen van mensen, en zal uiteindelijk menselijke banen overnemen. Bijvoorbeeld, in het geval dat iemand, bijvoorbeeld, creëert een computer die krachtig genoeg is om alle eigenschappen van grote kwantumsystemen te simuleren, in een oogwenk. Het is duidelijk dat het aantrekkelijk is om een ​​theoretisch fysicus in te huren om precies hetzelfde werk te doen (met de overheadoverwegingen van kantoorruimte, reis geld, pensioen etc.) sterk zou afnemen.

Maar, moeten theoretische natuurkundigen gealarmeerd worden door deze mogelijkheid? Aan de zonnige kant, er zijn veel belangrijke en interessante kwantumsystemen, sommige hebben betrekking op supergeleiding bij hoge temperaturen, en andere gerelateerd aan topologische kwantumberekening, waarvoor geen efficiënte simulatie-algoritmen bekend zijn. Anderzijds, misschien wachten dergelijke algoritmen gewoon om ontdekt te worden? Professor Ringel en Kovrizhin stellen dat, als het gaat om een ​​fysiek belangrijke subset van complexe kwantumgegevens, een klasse van algoritmen zo breed als Monte-Carlo-algoritmen, kan ons niet te slim af zijn en zal dat in de nabije toekomst ook niet worden.

In de context van de oorspronkelijke vraag of onze waargenomen realiteit echt slechts een onderdeel is van een geavanceerd buitenaards experiment, dit werk kan sommigen van ons extra geruststellen.