Een internationaal team van natuurkundigen, met medewerking van de Universiteit van Augsburg, heeft voor het eerst een belangrijke theoretische voorspelling in de kwantumfysica bevestigd. De berekeningen hiervoor zijn zo complex dat ze tot nu toe zelfs voor supercomputers te veeleisend zijn gebleken. De onderzoekers slaagden er echter in om ze aanzienlijk te vereenvoudigen met methoden uit het veld van machine learning. De studie verbetert het begrip van fundamentele principes van de kwantumwereld. Het is gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances .

De berekening van de beweging van een enkele biljartbal is relatief eenvoudig. Het voorspellen van de banen van een groot aantal gasdeeltjes in een vaartuig die voortdurend botsen, vertragen en afbuigen, is echter veel moeilijker. Maar wat als het helemaal niet duidelijk is hoe snel elk deeltje precies beweegt, zodat ze op elk moment talloze mogelijke snelheden zouden hebben, die alleen verschillen in hun waarschijnlijkheid?

De situatie is vergelijkbaar in de kwantumwereld:kwantummechanische deeltjes kunnen zelfs alle potentieel mogelijke eigenschappen tegelijk hebben. Dit maakt de toestandsruimte van kwantummechanische systemen extreem groot. Als je wilt simuleren hoe kwantumdeeltjes met elkaar interageren, moet je rekening houden met hun volledige toestandsruimten.

"En dat is buitengewoon complex", zegt prof. dr. Markus Heyl van het Institute of Physics van de Universiteit van Augsburg. "De rekeninspanning neemt exponentieel toe met het aantal deeltjes. Met meer dan 40 deeltjes is het al zo groot dat zelfs de snelste supercomputers het niet aankunnen. Dit is een van de grote uitdagingen van de kwantumfysica."

Neurale netwerken maken het probleem beheersbaar

Om dit probleem te vereenvoudigen, gebruikte de groep van Heyl methoden uit het veld van machine learning:kunstmatige neurale netwerken. Hiermee kan de kwantummechanische toestand opnieuw worden geformuleerd. "Dit maakt het beheersbaar voor computers", legt Heyl uit.

Met behulp van deze methode hebben de wetenschappers een belangrijke theoretische voorspelling onderzocht die tot nu toe een uitstekende uitdaging is gebleven:het kwantum Kibble-Zurek-mechanisme. Het beschrijft het dynamische gedrag van fysieke systemen bij wat een kwantumfaseovergang wordt genoemd. Een voorbeeld van een faseovergang vanuit de macroscopische en meer intuïtieve wereld is de overgang van water naar ijs. Een ander voorbeeld is het demagnetiseren van een magneet bij hoge temperaturen.

Als je andersom gaat en het materiaal afkoelt, begint de magneet zich weer te vormen onder een bepaalde kritische temperatuur. Dit gebeurt echter niet gelijkmatig over het hele materiaal. In plaats daarvan worden tegelijkertijd veel kleine magneten met verschillend uitgelijnde noord- en zuidpolen gemaakt. De resulterende magneet is dus eigenlijk een mozaïek van veel verschillende, kleinere magneten. Natuurkundigen zeggen ook dat het gebreken bevat.

Het Kibble-Zurek-mechanisme voorspelt hoeveel van deze defecten te verwachten zijn (met andere woorden, uit hoeveel minimagneten het materiaal uiteindelijk zal bestaan). Wat vooral interessant is, is dat het aantal van deze defecten universeel is en dus onafhankelijk van microscopische details. Dienovereenkomstig gedragen veel verschillende materialen zich precies identiek, zelfs als hun microscopische samenstelling compleet anders is.

Het Kibble-Zurek-mechanisme en de vorming van sterrenstelsels na de oerknal

Het Kibble-Zurek-mechanisme werd oorspronkelijk geïntroduceerd om de vorming van structuur in het universum te verklaren. Na de oerknal was het universum aanvankelijk volledig homogeen, wat betekent dat de gehoste materie perfect gelijkmatig verdeeld was. Lange tijd was het onduidelijk hoe sterrenstelsels, zonnen of planeten uit zo'n homogene toestand konden zijn ontstaan.

In dit verband biedt het Kibble-Zurek-mechanisme een verklaring. Terwijl het universum afkoelde, ontwikkelden zich defecten op dezelfde manier als magneten. Inmiddels zijn deze processen in de macroscopische wereld goed begrepen. Maar er is één type faseovergang waarvoor het nog niet mogelijk is geweest om de geldigheid van het mechanisme te verifiëren, namelijk de eerder genoemde kwantumfaseovergangen. "Ze bestaan ​​alleen bij het absolute nulpunt van -273 graden Celsius", legt Heyl uit. "Dus de faseovergang vindt niet plaats tijdens afkoeling, maar door veranderingen in de interactie-energie - je zou misschien kunnen denken aan het variëren van de druk."

Zo'n kwantumfase-overgang hebben de wetenschappers nu op een supercomputer gesimuleerd. Zo konden ze voor het eerst aantonen dat het Kibble-Zurek-mechanisme ook in de kwantumwereld van toepassing is. "Dat was geenszins een voor de hand liggende conclusie", zegt de natuurkundige uit Augsburg. "Onze studie stelt ons in staat om de dynamiek van kwantummechanische systemen van veel deeltjes beter te beschrijven en zo de regels die deze exotische wereld beheersen nauwkeuriger te begrijpen." + Verder verkennen

Nieuwe vacht voor de kwantumkat:verstrengeling van veel atomen voor het eerst ontdekt