Van water dat in stoom kookt tot ijsblokjes die smelten in een glas, we hebben allemaal het fenomeen gezien dat bekend staat als een faseovergang in ons dagelijks leven. Maar er is een ander type faseovergang dat veel moeilijker te zien is, maar net zo grimmig:kwantumfaseovergangen.

Wanneer ze worden afgekoeld tot bijna het absolute nulpunt, kunnen bepaalde materialen deze kwantumfase-overgangen ondergaan, waardoor de mond van een natuurkundige kan openvallen. Het materiaal kan veranderen van magnetisch in niet-magnetisch, of het kan plotseling de superkracht krijgen om elektriciteit te geleiden zonder energieverlies als warmte.

De wiskunde achter deze overgangen is zelfs voor supercomputers moeilijk te hanteren, maar een nieuwe Physical Review A studie van de Universiteit van Chicago suggereert een nieuwe manier om met deze gecompliceerde berekeningen te werken, die uiteindelijk technologische doorbraken zou kunnen opleveren. De snelkoppeling haalt alleen de belangrijkste informatie in de vergelijking en creëert een "kaart" van alle mogelijke faseovergangen in het systeem dat wordt gesimuleerd.

"Dit is een potentieel krachtige manier om te kijken naar kwantumfase-overgangen die kunnen worden gebruikt met traditionele of kwantumcomputers", zegt David Mazziotti, een theoretisch chemicus bij de afdeling Scheikunde en het James Franck Institute van de Universiteit van Chicago en senior auteur van de studie.

Hij en andere wetenschappers denken dat als we de complexe fysica achter de overgangen van kwantumfasen volledig kunnen begrijpen, we deuren naar nieuwe technologieën kunnen openen. Soortgelijke ontdekkingen in het verleden hebben bijvoorbeeld geleid tot MRI-machines en de transistors die moderne computers en telefoons mogelijk maken.

Een gestroomlijnde aanpak

De faseveranderingen die je kent, zoals verdamping en condensatie, gebeuren door temperatuurveranderingen. Maar kwantumfaseovergangen worden veroorzaakt door enige interferentie in hun omgeving, zoals een magnetisch veld.

Het fenomeen treedt op als gevolg van het feit dat veel elektronen in relatie tot elkaar werken - een type interactie dat valt onder een notoir complex subveld dat bekend staat als 'sterk gecorreleerde' fysica. Om deze kwantumfase-overgangen te simuleren, moeten wetenschappers traditioneel een model maken dat de mogelijkheden voor elk afzonderlijk elektron omvat. Maar de rekenkracht die nodig is om deze simulaties uit te voeren, loopt snel uit de hand.

Men denkt dat kwantumcomputers beter geschikt zijn voor dit soort problemen dan conventionele computers, maar zelfs deze methode heeft zijn obstakels:deze problemen creëren bijvoorbeeld een hoop gegevens die vervolgens weer moeten worden vertaald in de taal van "gewone" computers voor wetenschappers om met hen samen te werken.

Dus wilden de onderzoekers zien hoe ze de berekening konden vereenvoudigen zonder de nauwkeurigheid te verliezen.

In plaats van een simulatie te maken die elke afzonderlijke variabele in een bepaald kwantumsysteem berekent, vonden ze een andere benadering:het vervangen van een reeks getallen die de mogelijke interacties tussen elk paar elektronen beschrijft. Dit wordt een "matrix met gereduceerde dichtheid met twee elektronen" genoemd.

"Door de set te meten die de matrix met twee elektronen met verminderde dichtheid beschrijft, maken we een kaart van alle verschillende fasen die het kwantumsysteem kan doormaken", legt afgestudeerde student Sam Warren, de eerste auteur van het onderzoek, uit.

Deze "kaart" zelf, zei hij, biedt ook nuttige voordelen:"Het stelt je in staat om overgangen te zien die je anders misschien zou missen, en het creëert een echt krachtige visualisatie waarmee je gemakkelijk en snel een overzicht op hoog niveau van het systeem kunt krijgen. "

Het team probeerde de methode te gebruiken om verschillende soorten faseovergangen te modelleren en ontdekte dat deze net zo nauwkeurig was als de traditionele, meer gegevensintensieve methode.

"Het geeft ons de fundamentele fysica die we nodig hebben om het systeem te begrijpen, terwijl de computervereisten worden geminimaliseerd", zegt afgestudeerde student LeeAnn Sager-Smith, de tweede auteur van het onderzoek.

Mazziotti hoopt dat de methode niet alleen nuttig is voor het uitvoeren van simulaties op kwantumcomputers, maar ook voor het ontwikkelen van ons begrip van kwantumfaseovergangen in het algemeen. "Er zijn een aantal gebieden die onderbelicht zijn omdat ze zo moeilijk te modelleren zijn," zei hij. "Ik hoop dat deze aanpak een aantal nieuwe deuren kan openen." + Verder verkennen

Nieuwe krachtige methode om faseovergangen in sterk gecorreleerde kwantumsystemen te onderzoeken