Due delle “mappe” delle transizioni di fase quantistiche generate dalla tecnica. I diversi colori rappresentano fasi diverse o transizioni tra fasi diverse. Crediti:Warren, Sager-Smith, Mazziotti/UChicago
Dall'acqua che bolle in vapore ai cubetti di ghiaccio che si sciolgono in un bicchiere, abbiamo tutti visto il fenomeno noto come transizione di fase nella nostra vita quotidiana. Ma c'è un altro tipo di transizione di fase che è molto più difficile da vedere, ma altrettanto netta:le transizioni di fase quantistiche.
Quando vengono raffreddati quasi allo zero assoluto, alcuni materiali possono subire queste transizioni di fase quantistiche, che possono far rimanere a bocca aperta un fisico. Il materiale può passare dall'essere magnetico a quello non magnetico, oppure può acquisire improvvisamente la superpotenza per condurre elettricità con zero energia dispersa sotto forma di calore.
La matematica alla base di queste transizioni è difficile da gestire anche per i supercomputer, ma una nuova Revisione fisica A uno studio dell'Università di Chicago suggerisce un nuovo modo di lavorare con questi calcoli complicati, che alla fine potrebbero portare a scoperte tecnologiche. La scorciatoia estrae solo le informazioni più importanti nell'equazione e crea una "mappa" di tutte le possibili transizioni di fase nel sistema in fase di simulazione.
"Questo è un modo potenzialmente potente per esaminare le transizioni di fase quantistiche che possono essere utilizzate con computer tradizionali o quantistici", ha affermato David Mazziotti, un chimico teorico del Dipartimento di Chimica e del James Franck Institute dell'Università di Chicago e autore senior dello studio.
Lui e altri scienziati pensano che se riusciamo a comprendere appieno la complessa fisica in gioco dietro le transizioni di fase quantistiche, potremmo aprire le porte alle nuove tecnologie. Scoperte simili in passato, ad esempio, hanno portato a macchine per la risonanza magnetica e ai transistor che rendono possibili computer e telefoni moderni.
Un approccio semplificato
I cambiamenti di fase che conosci, come l'evaporazione e la condensazione, si verificano a causa di variazioni di temperatura. Ma le transizioni di fase quantistiche sono innescate da alcune interferenze nel loro ambiente, come un campo magnetico.
Il fenomeno si verifica come risultato di molti elettroni che agiscono in relazione tra loro, un tipo di interazione che rientra in un sottocampo notoriamente complesso noto come fisica "fortemente correlata". Tradizionalmente, per simulare queste transizioni di fase quantistiche, gli scienziati devono creare un modello che incorpori le possibilità per ogni singolo elettrone. Ma la potenza di calcolo necessaria per eseguire queste simulazioni va fuori controllo molto rapidamente.
Si ritiene che i computer quantistici siano più adatti a questo tipo di problemi rispetto ai computer convenzionali, ma anche questo metodo ha i suoi ostacoli:ad esempio, questi problemi creano una tonnellata di dati che devono poi essere tradotti nel linguaggio dei computer "normali" affinché gli scienziati lavorino con loro.
Quindi i ricercatori volevano vedere come potevano semplificare il calcolo senza perdere la precisione.
Invece di creare una simulazione che calcola ogni singola variabile in un dato sistema quantistico, hanno trovato un approccio diverso:sostituire un insieme di numeri che descrive le possibili interazioni tra ogni coppia di elettroni. Questa è chiamata "matrice a densità ridotta a due elettroni".
"Misurando l'insieme che descrive la matrice a densità ridotta a due elettroni, finiamo per creare una mappa di tutte le diverse fasi che il sistema quantistico può sperimentare", ha spiegato lo studente laureato Sam Warren, il primo autore dello studio.
Questa "mappa" stessa, ha affermato, offre anche utili vantaggi:"Ti permette di vedere transizioni che altrimenti potrebbero essere perse e crea una visualizzazione davvero potente che ti consente di cogliere facilmente e rapidamente una panoramica di alto livello del sistema. "
Il team ha provato a utilizzare il metodo per modellare diversi tipi di transizioni di fase e ha scoperto che era accurato quanto il metodo tradizionale e ad alta intensità di dati.
"Ci fornisce la fisica fondamentale di cui abbiamo bisogno per comprendere il sistema, riducendo al minimo le esigenze informatiche", ha affermato la studentessa laureata LeeAnn Sager-Smith, il secondo autore dello studio.
Mazziotti spera che il metodo sia utile non solo per eseguire simulazioni su computer quantistici, ma per sviluppare la nostra comprensione delle transizioni di fase quantistiche in generale. "Ci sono alcune aree che sono state sottoesplorate perché sono così difficili da modellare", ha detto. "Spero che questo approccio possa aprire nuove porte". + Esplora ulteriormente
