Wetenschap
Het gaat uiteindelijk om het voorspellen van alles; de theorie zou een kaart kunnen zijn in de jacht op kwantummaterialen
Een doorbraak in de theoretische natuurkunde is een belangrijke stap in de richting van het voorspellen van het gedrag van de fundamentele materie waaruit onze wereld is opgebouwd. Het kan worden gebruikt om systemen van enorme hoeveelheden kwantumdeeltjes te berekenen, een prestatie die voorheen onmogelijk werd geacht.
Het nieuwe onderzoek van de Universiteit van Kopenhagen kan van groot belang blijken voor het ontwerp van kwantumcomputers en zou zelfs een kaart kunnen zijn voor supergeleiders die bij kamertemperatuur functioneren. Het artikel is gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review X .
Aan de rand van de theoretische natuurkunde onderzoekt Berislav Buca het bijna onmogelijke door middel van ‘exotische’ wiskunde. Zijn nieuwste theorie is daarop geen uitzondering. Door het mogelijk te maken de dynamiek, dat wil zeggen bewegingen en interacties, te berekenen van systemen met enorme hoeveelheden kwantumdeeltjes, heeft het iets opgeleverd dat in de natuurkunde was afgeschreven. Een onmogelijkheid mogelijk gemaakt.
De onverwachte aanwezigheid van een witte kat siert de illustraties van Buca's onderzoek. Pulci de kat is zijn opvallende muze. Pijlen door het lichaam van de kat illustreren de kwantummechanische oorsprong van de bewegingen van de speelse kat – en dit is precies de relatie die Buca probeert te begrijpen door het mogelijk te maken de dynamiek van de allerkleinste deeltjes te berekenen.
De doorbraak heeft een oude en fundamentele wetenschappelijke vraag nieuw leven ingeblazen:als al het gedrag in het universum theoretisch kan worden berekend door middel van de wetten van de natuurkunde, kunnen we dan alles voorspellen door de kleinste deeltjes te berekenen?
‘Veel natuurkundedisciplines gaan uiteindelijk over het verklaren en voorspellen van de wereld door de wetten van de natuurkunde te begrijpen en het gedrag van de kleinste deeltjes te berekenen. In principe zouden we elke mogelijke vraag over hoe allerlei dingen zich gedragen kunnen beantwoorden als we dat zouden kunnen. tot", zegt Buca van het Niels Bohr Instituut van de Universiteit van Kopenhagen.
‘In principe kan het gedrag van alles in het universum worden begrepen aan de hand van de microscopische wetten die de deeltjesdynamiek beheersen’, zegt hij, terwijl hij snel oproept tot voorzichtigheid.
"Dat kan ik natuurlijk niet doen", zegt de theoreticus.
Een theoretische kortere weg vermijdt de duivel in de details
De interacties en bewegingen van kwantumdeeltjes in hun systemen zijn zo complex, legt de onderzoeker uit, dat zelfs de krachtigste supercomputer ter wereld slechts berekeningen kan uitvoeren op een tiental van deze deeltjes tegelijk.
Tegelijkertijd bestaat een enkel atoom uit minstens twee kwantumdeeltjes en een enkele zandkorrel van ongeveer 50 miljard keer een miljard atomen – om nog maar te zwijgen van een kat of iets anders dat je in ons universum zou willen begrijpen. P>
"Dus in de praktijk is het niet mogelijk. Momenteel niet. Mijn theorie is echter een belangrijke stap in de goede richting. Dit komt omdat er een soort wiskundige kortere weg nodig is om de dynamiek van het geheel te begrijpen, zonder dat er rekenkracht verloren gaat. in de details voor een brede klasse van systemen met veel kwantumdeeltjes, dat wil zeggen zonder de noodzaak om alle individuele deeltjes in een systeem te berekenen", legt Buca uit.
De theorie heeft al naam gemaakt door het eerste wiskundige bewijs te leveren van een al lang bestaande hypothese in de theoretische natuurkunde.
Tot nu toe was de zogenaamde eigentoestand-thermalisatiehypothese een aanname – een weloverwogen gok – in de natuurkunde die nog wiskundig moest worden verklaard. Het gaat om het vermogen van de wiskunde om de bewegingen van kwantumsystemen als geheel te beschrijven.
De theorie van Buca heeft dus haar waarde als fundamenteel theoretisch onderzoek al bewezen en heeft bereikt wat theoretici lange tijd voor onmogelijk hadden gehouden. Hoewel de resultaten voorlopig vooral de slimme geesten van de natuurkunde interesseren, kunnen de gevolgen uiteindelijk groot zijn voor ons allemaal.
Deze kennis zou uiteindelijk de weg kunnen wijzen naar het zoeken naar kwantummaterialen met eigenschappen die zo uniek zijn dat ze onze wereld kunnen transformeren.
Deze kwantummaterialen zijn een voorwaarde om onze klauwen in te graven in enkele van de grootste wetenschappelijke 'vogels in de bush', zoals stabiele kwantumcomputers of zelfs supergeleiders die bij kamertemperatuur werken.
“We zijn op zoek naar een materiaal voor kwantumcomputers dat bestand is tegen entropie – een natuurwet die ervoor zorgt dat complexe systemen – bijvoorbeeld materialen – vervallen tot minder complexe vormen. Entropie vernietigt de samenhang die nodig is om kwantumcomputers stabiel te laten zijn en te blijven werken. " legt Buca uit.
De exotische wiskundige systemen die hem aanvankelijk inspireerden en zijn doorbraak in onderzoek mogelijk maakten, zijn wellicht precies wat een kwantumcomputer nodig heeft om echt bruikbaar te zijn.
“De zogenaamde qubits waarmee een kwantumcomputer theoretisch werkt, moeten zich in een staat van superpositie bevinden om te kunnen functioneren, wat betekent dat ze tegelijkertijd aan en uit worden gezet – in de gebruikelijke bewoordingen. Dit vereist dat ze zich in een stabiele kwantumtoestand bevinden. De thermodynamica houdt niet van de structuren die de huidige materialen nodig hebben. Mijn theorie kan ons misschien vertellen of deze exotische systemen een manier kunnen zijn om dingen te structureren, zodat deze kwantumtoestand permanenter zou kunnen zijn", zegt Buca.
De methode lijkt een beetje op een routekaart die onderzoekers door een enorm landschap van mogelijke materialen kan leiden door voorspellingen mogelijk te maken over hoe deze materialen zich onder experimentele omstandigheden zouden gedragen. Dit geeft onderzoekers voor het eerst een manier om doelgericht te zoeken naar kwantummaterialen met speciale eigenschappen.
"Tot nu toe werd de jacht op deze materialen bepaald door toeval. Maar mijn resultaten kunnen voor het eerst een leidraad bieden bij het zoeken naar unieke eigenschappen in materialen", zegt Buca.
Een kompas voor de kwantummechanische schatkaart