Rappresentazione schematica della dinamica attraverso una transizione di fase in un modello bidimensionale spin-1/2. Nello stato paramagnetico iniziale (in basso), gli spin si allineano con la direzione del campo magnetico trasversale. Una misurazione della configurazione di rotazione in quello stato lungo la direzione di ordinamento produrrebbe quindi in genere uno schema casuale di rotazioni rivolte verso l'alto (coni blu) o verso il basso (coni rossi). Dopo una lenta rampa attraverso un punto critico quantistico, il sistema sviluppa una sovrapposizione quantistica di domini ferromagnetici, che, misurando le configurazioni di spin lungo la direzione di ordinamento, produrrà tipicamente un collasso su un mosaico di tali domini (in alto). Sulla faccia anteriore, includiamo la crescita dell'intervallo di correlazione ferromagnetica in funzione del tempo t a partire da t =−τQ man mano che la rampa avanza attraverso il regime critico con il punto critico situato a t =0. La lunghezza di guarigione ξˆ che determina la dimensione dei domini nel meccanismo di Kibble-Zurek (KZ) è impostata al tempo caratteristico ∣∣t∣
Un team internazionale di fisici, con la partecipazione dell'Università di Augusta, ha per la prima volta confermato un'importante previsione teorica nella fisica quantistica. I calcoli per questo sono così complessi che finora si sono rivelati troppo impegnativi anche per i supercomputer. Tuttavia, i ricercatori sono riusciti a semplificarli notevolmente utilizzando metodi del campo dell'apprendimento automatico. Lo studio migliora la comprensione dei principi fondamentali del mondo quantistico. È stato pubblicato sulla rivista Science Advances .
Il calcolo del moto di una singola palla da biliardo è relativamente semplice. Tuttavia, è molto più difficile prevedere le traiettorie di una moltitudine di particelle di gas in una nave che si scontrano costantemente, vengono rallentate e deviate. Ma cosa succede se non è nemmeno del tutto chiaro esattamente quanto velocemente si muova ogni particella, in modo che abbiano infinite velocità possibili in un dato momento, differendo solo per la loro probabilità?
La situazione è simile nel mondo quantistico:le particelle meccaniche quantistiche possono anche avere tutte le proprietà potenzialmente possibili simultaneamente. Ciò rende lo spazio degli stati dei sistemi di meccanica quantistica estremamente ampio. Se miri a simulare il modo in cui le particelle quantistiche interagiscono tra loro, devi considerare i loro spazi di stato completi.
"E questo è estremamente complesso", afferma il Prof. Dr. Markus Heyl dell'Istituto di Fisica dell'Università di Augusta. "Lo sforzo computazionale aumenta esponenzialmente con il numero di particelle. Con più di 40 particelle, è già così grande che nemmeno i supercomputer più veloci sono in grado di farcela. Questa è una delle grandi sfide della fisica quantistica."
Le reti neurali rendono il problema gestibile
Per semplificare questo problema, il gruppo di Heyl ha utilizzato metodi dal campo dell'apprendimento automatico:le reti neurali artificiali. Con questi, lo stato della meccanica quantistica può essere riformulato. "Questo lo rende gestibile per i computer", spiega Heyl.
Utilizzando questo metodo, gli scienziati hanno studiato un'importante previsione teorica che è rimasta una sfida eccezionale finora:il meccanismo quantistico di Kibble-Zurek. Descrive il comportamento dinamico dei sistemi fisici in quella che viene chiamata transizione di fase quantistica. Un esempio di transizione di fase dal mondo macroscopico e più intuitivo è il passaggio dall'acqua al ghiaccio. Un altro esempio è la smagnetizzazione di un magnete ad alte temperature.
Se si fa il contrario e si raffredda il materiale, il magnete ricomincia a formarsi al di sotto di una certa temperatura critica. Tuttavia, ciò non avviene in modo uniforme su tutto il materiale. Invece, vengono creati contemporaneamente molti piccoli magneti con poli nord e sud allineati in modo diverso. Pertanto, il magnete risultante è in realtà un mosaico di molti magneti diversi e più piccoli. I fisici dicono anche che contiene dei difetti.
Il meccanismo di Kibble-Zurek prevede quanti di questi difetti ci si deve aspettare (in altre parole, di quanti mini-magneti sarà composto il materiale alla fine). Ciò che è particolarmente interessante è che il numero di questi difetti è universale e quindi indipendente dai dettagli microscopici. Di conseguenza, molti materiali diversi si comportano esattamente in modo identico, anche se la loro composizione microscopica è completamente diversa.
Il meccanismo di Kibble-Zurek e la formazione delle galassie dopo il Big Bang
Il meccanismo di Kibble-Zurek è stato originariamente introdotto per spiegare la formazione della struttura nell'universo. Dopo il Big Bang, l'universo era inizialmente completamente omogeneo, il che significa che la materia ospitata era distribuita in modo perfettamente uniforme. Per molto tempo non è stato chiaro come galassie, soli o pianeti potessero essersi formati da uno stato così omogeneo.
In questo contesto il meccanismo di Kibble-Zurek fornisce una spiegazione. Mentre l'universo si stava raffreddando, i difetti si sviluppavano in modo simile ai magneti. Nel frattempo questi processi nel mondo macroscopico sono ben compresi. Ma esiste un tipo di transizione di fase per la quale non è stato ancora possibile verificare la validità del meccanismo, ovvero le transizioni di fase quantistiche già menzionate in precedenza. "Esistono solo al punto di temperatura zero assoluto di -273 gradi Celsius", spiega Heyl. "Quindi la transizione di fase non avviene durante il raffreddamento, ma attraverso cambiamenti nell'energia di interazione:potresti pensare, forse, di variare la pressione."
Gli scienziati hanno ora simulato una tale transizione di fase quantistica su un supercomputer. Sono stati così in grado di mostrare per la prima volta che il meccanismo di Kibble-Zurek si applica anche nel mondo quantistico. "Non era affatto una conclusione ovvia", afferma il fisico di Augusta. "Il nostro studio ci consente di descrivere meglio la dinamica dei sistemi quantomeccanici di molte particelle e quindi di comprendere più precisamente le regole che governano questo mondo esotico". + Esplora ulteriormente
