De universele wetten die de dynamiek van op elkaar inwerkende kwantumdeeltjes beheersen, moeten nog volledig worden onthuld aan de wetenschappelijke gemeenschap. Een team van onderzoekers van het Center for Theoretical Physics of Complex Systems (PCS), binnen het Institute for Basic Science (IBS in Daejeon, Zuid-Korea) hebben voorgesteld om een ​​innovatieve toolbox te gebruiken waarmee ze simulatiegegevens kunnen verkrijgen die gelijk zijn aan 60 jaar experimentele tijd. Door de computationele horizon uit te breiden van één dag tot ongekende tijdschalen, de IBS-onderzoekers konden bevestigen dat een wolk van kwantumdeeltjes zich blijft verspreiden, zelfs bij interacties tussen deeltjes, oorspronkelijk beschouwd als de activator van de verspreiding, bijna geen kracht uitoefenen. Hun bevindingen zijn op 30 januari 2019 online gepubliceerd op: Fysieke beoordelingsbrieven .

Het werk behandelt twee van de meest fundamentele fenomenen van gecondenseerde materie:interactie en wanorde. Denk aan ultrakoude atomaire gassen. Een atoom van het gas is een kwantumdeeltje, en dus ook een kwantumgolf, die zowel amplitude als fase heeft. Wanneer zulke kwantumdeeltjes, d.w.z. golven kunnen zich niet voortplanten in een ongeordend medium, ze komen vast te zitten en komen volledig tot stilstand. Deze destructieve interferentie van voortplantende golven is Anderson-lokalisatie.

Microscopische deeltjes, beschreven door de kwantummechanica, met elkaar omgaan als ze elkaar naderen. De aanwezigheid van interactie, althans aanvankelijk vernietigt lokalisatie in een wolk van kwantumdeeltjes, en laat de wolk ontsnappen en uitsmeren, hoewel zeer langzaam en subdiffuus. Wanneer atomen op elkaar inwerken (botsen), wisselen ze niet alleen energie en momentum uit, maar veranderen ook hun fasen. De interactie vernietigt regelmatige golfpatronen, wat leidt tot het verlies van de fase-informatie. Naarmate de tijd verstrijkt, breidt de wolk zich uit en wordt dunner.

Hete debatten van het afgelopen decennium waren gewijd aan de vraag of het proces zal stoppen omdat de effectieve kracht van interactie te laag wordt, of niet. Experimenten met Bose-Einstein-condensaten van ultrakoude kaliumatomen zijn tot 10 seconden lang uitgevoerd, terwijl onderzoekers hun best doen om het atomaire gas stabiel te houden. Numerieke berekeningen werden uitgevoerd voor een equivalent van één dag. Opmerkelijk is dat theoretische computationele fysica zich al in een unieke situatie bevond om veel superieur te zijn aan experimenten!

Het team van IBS-onderzoekers, onder leiding van Sergej Flach, besloten om de wolkendynamiek een nieuwe harde numerieke test te geven en de computationele horizon uit te breiden van één dag tot 60 jaar in experimenteel tijdequivalent. De grootste uitdaging is het trage tempo van het proces:men moet de dynamiek van de cloud lange tijd simuleren om significante veranderingen te zien. Het nieuwe doel was om de vorige records drastisch uit te breiden, met een factor van minstens tienduizend, en om tegelijkertijd een nieuwe benadering te ontwikkelen voor snelle simulaties van computationeel harde fysieke modellen.

Het onderzoeksteam observeerde subdiffuse wolken die zich verspreidden tot aan de onderzochte recordtijdschalen. De sleutel tot het succes was het gebruik van zogenaamde Discrete Time Quantum Walks - theoretische en experimentele platforms voor kwantumberekeningen. Hun unieke eigenschap is dat de tijd niet continu stroomt, maar neemt abrupt toe, steeds een van de belangrijkste versnellingsfactoren. Verschillende aanvullende technische hulpmiddelen werden gebruikt om de nieuwe recordtijden te realiseren:enorme supercomputerkrachten van IBS, programma optimalisatie, en het gebruik van clusters van grafische verwerkingseenheden (GPU).

De resultaten van het team stellen ingewikkelde nieuwe vragen over het begrip van het samenspel van interactie en wanorde. IBS-PCS-onderzoekers blijven werken aan verschillende aspecten van het probleem, met behulp van tools, waaronder Discrete Time Quantum Walks. "We gebruiken momenteel dezelfde techniek om verschillende andere langdurige problemen op te lossen die nieuwe computationele benaderingen en bevoegdheden vereisen", zegt Ihor Vakulchyk-Ph.D. student van het onderzoeksteam. De voorgestelde gereedschapskist opent schijnbaar onbegrensde mogelijkheden voor het nieuwe veld van kwantummodellering en optimalisatie van computermodellen in de natuurkunde.