Le frecce verticali indicano l'azione della moneta quantistica all'interno di ciascun sistema a due livelli, mentre quelli orizzontali mostrano l'azione dell'operatore di trasferimento. Credito:IBS
Le leggi universali che governano la dinamica delle particelle quantistiche interagenti devono ancora essere completamente rivelate alla comunità scientifica. Un team di ricercatori del Center for Theoretical Physics of Complex Systems (PCS), all'interno dell'Istituto per le scienze di base (IBS a Daejeon, Corea del Sud) hanno proposto di utilizzare un toolbox innovativo che consente loro di ottenere dati di simulazione equivalenti a 60 anni di tempo sperimentale. Estendendo gli orizzonti computazionali da un giorno a scale temporali senza precedenti, i ricercatori dell'IBS sono stati in grado di confermare che una nuvola di particelle quantistiche continua a diffondersi anche quando le interazioni tra particella e particella, originariamente ritenuto l'attivatore della diffusione, esercitare quasi nessuna forza. I loro risultati sono stati pubblicati online il 30 gennaio 2019 su Lettere di revisione fisica .
Il lavoro tratta due dei fenomeni più fondamentali della materia condensata:l'interazione e il disordine. Pensa ai gas atomici ultrafreddi. Un atomo del gas è una particella quantistica, e quindi anche un'onda quantistica, che ha sia ampiezza che fase. Quando tali particelle quantistiche, cioè le onde non riescono a propagarsi in un mezzo disordinato, rimangono intrappolati e si fermano completamente. Questa interferenza distruttiva delle onde che si propagano è la localizzazione di Anderson.
particelle microscopiche, descritto dalla meccanica quantistica, interagiscono quando ci si avvicina. La presenza di interazione, almeno inizialmente, distrugge la localizzazione in una nuvola di particelle quantistiche, e permette alla nuvola di fuggire e macchiare, anche se molto lentamente e in modo subdiffusivo. Quando gli atomi interagiscono (si scontrano) scambiano non solo energia e quantità di moto, ma cambiano anche le loro fasi. L'interazione distrugge i modelli d'onda regolari, portando alla perdita delle informazioni di fase. Col passare del tempo la nuvola si allarga e si assottiglia.
Dibattiti accesi negli ultimi dieci anni sono stati dedicati alla questione se il processo si fermerà perché la forza effettiva dell'interazione diventa troppo bassa, o no. Gli esperimenti con i condensati di Bose-Einstein di atomi di potassio ultrafreddi sono stati condotti per un massimo di 10 secondi mentre i ricercatori si sforzavano di mantenere stabile il gas atomico. I calcoli numerici sono stati eseguiti per un equivalente di un giorno. La fisica computazionale straordinariamente teorica era già in una situazione unica per essere molto superiore agli esperimenti!
Profili di densità dei pacchetti d'onda di uno zero (arancione, rispettando la localizzazione Anderson) e diverso da zero (blu, non rispetto alla localizzazione di Anderson) non linearità. I tempi di simulazione raggiungono 2*10^12. Credito:IBS
Il team di ricercatori IBS, guidato da Sergej Flach, ha deciso di dare alla dinamica delle nuvole un nuovo duro test numerico e di estendere gli orizzonti computazionali da un giorno a 60 anni in equivalente di tempo sperimentale. La sfida principale è la lentezza del processo:bisogna simulare a lungo la dinamica del cloud per vedere eventuali cambiamenti significativi. Il nuovo obiettivo era quello di estendere drasticamente i record precedenti, di un fattore di almeno diecimila, e allo stesso tempo sviluppare un nuovo approccio alle simulazioni veloci di modelli fisici computazionalmente difficili.
Il team di ricerca ha osservato nubi suddiffuse che si diffondono fino ai tempi record esaminati. La chiave del successo è stata l'utilizzo delle cosiddette Discrete Time Quantum Walks, piattaforme teoriche e sperimentali per i calcoli quantistici. La loro caratteristica unica è che il tempo non scorre continuamente, ma aumenta bruscamente, diventando uno dei principali fattori di accelerazione. Diversi strumenti tecnici aggiuntivi sono stati utilizzati per realizzare i nuovi tempi record:enormi poteri di supercalcolo di IBS, ottimizzazione del programma, e l'uso di cluster di unità di elaborazione grafica (GPU).
I risultati del team pongono nuove complicate domande sulla comprensione dell'interazione tra interazione e disordine. I ricercatori IBS-PCS continuano a lavorare su diversi aspetti del problema, utilizzando strumenti tra cui Discrete Time Quantum Walks. "Attualmente stiamo impiegando la stessa tecnica per risolvere molti altri problemi di vecchia data che richiedono nuovi approcci e poteri computazionali", dice Ihor Vakulchyk-Ph.D. studente del gruppo di ricerca. La cassetta degli attrezzi proposta apre possibilità apparentemente illimitate per il nuovo campo della modellazione quantistica e dell'ottimizzazione dei modelli informatici in fisica.
