Araştırmacılar kuantum fiziğinin temel sorusunu yanıtlıyor

Araştırmacılar kuantum fiziğinin temel sorusunu yanıtlıyor

İki boyutlu bir spin-1/2 modelinde bir faz geçişi boyunca dinamiklerin şematik tasviri. İlk paramanyetik durumda (altta), dönüşler enine manyetik alanın yönü ile hizalanır. Sıralama yönü boyunca bu durumdaki dönüş konfigürasyonunun bir ölçümü, tipik olarak yukarıyı (mavi koniler) veya aşağıyı (kırmızı koniler) gösteren rastgele bir dönüş paterni verir. Kuantum kritik bir nokta boyunca yavaş bir rampadan sonra, sistem, sipariş yönü boyunca dönüş konfigürasyonlarını ölçtüğünde, tipik olarak bu tür alanların bir mozaiği üzerinde (üstte) bir çöküş verecek olan ferromanyetik alanların kuantum süperpozisyonunu geliştirir. Ön yüzde, t = −τ’dan başlayarak t zamanının bir fonksiyonu olarak ferromanyetik korelasyon aralığının büyümesini dahil ediyoruz.Q rampa kritik rejim boyunca t = 0 bulunan kritik nokta ile ilerlerken. Kibble-Zurek (KZ) mekanizmasındaki alanların boyutunu belirleyen iyileşme uzunluğu ξˆ, karakteristik ∣∣t∣ zamanında ayarlanır.GS, sistemdeki ilgili sesin c maksimum hızını aşıyor. Kredi: Bilim Gelişmeleri (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abl6850

Augsburg Üniversitesi’nin katılımıyla uluslararası bir fizikçi ekibi, kuantum fiziğinde ilk kez önemli bir teorik öngörüyü doğruladı. Bunun için hesaplamalar o kadar karmaşıktır ki, şimdiye kadar süper bilgisayarlar için bile çok talepkar olduklarını kanıtladılar. Ancak araştırmacılar, makine öğrenimi alanındaki yöntemleri kullanarak bunları önemli ölçüde basitleştirmeyi başardılar. Çalışma, kuantum dünyasının temel ilkelerinin anlaşılmasını geliştirir. Dergide yayınlandı Bilim Gelişmeleri.


Tek bir bilardo topunun hareketinin hesaplanması nispeten basittir. Bununla birlikte, bir gemide sürekli çarpışan, yavaşlayan ve yön değiştiren çok sayıda gaz parçacığının yörüngesini tahmin etmek çok daha zordur. Ama ya her parçacığın ne kadar hızlı hareket ettiği tam olarak net değilse ve böylece herhangi bir zamanda yalnızca olasılıkları farklı olan sayısız olası hıza sahip olacaklarsa?

Kuantum dünyasında da durum benzerdir: Kuantum mekanik parçacıkları, potansiyel olarak tüm olası özelliklere aynı anda sahip olabilir. Bu, kuantum mekanik sistemlerin durum uzayını son derece büyük yapar. Kuantum parçacıklarının birbirleriyle nasıl etkileştiğini simüle etmeyi hedefliyorsanız, onların tam durum uzaylarını göz önünde bulundurmalısınız.

Augsburg Üniversitesi Fizik Enstitüsü’nden Prof. Dr. Markus Heyl, “Ve bu son derece karmaşık” diyor. “Hesaplama çabası, parçacıkların sayısı ile katlanarak artıyor. 40’tan fazla parçacıkla, zaten o kadar büyük ki, en hızlı süper bilgisayarlar bile onunla başa çıkamıyor. Bu, kuantum fiziğinin en büyük zorluklarından biridir.”

Sinir ağları sorunu yönetilebilir hale getirir

Bu sorunu basitleştirmek için Heyl’in grubu, yapay sinir ağları olan makine öğrenimi alanındaki yöntemleri kullandı. Bunlarla, kuantum mekaniksel durum yeniden formüle edilebilir. Heyl, “Bu, onu bilgisayarlar için yönetilebilir kılıyor” diye açıklıyor.

Bu yöntemi kullanarak, bilim adamları şimdiye kadar olağanüstü bir zorluk olarak kalan önemli bir teorik öngörüyü araştırdılar: kuantum Kibble-Zurek mekanizması. Kuantum faz geçişi olarak adlandırılan fiziksel sistemlerin dinamik davranışını tanımlar. Makroskopik ve daha sezgisel dünyadan faz geçişine bir örnek, sudan buza geçiştir. Başka bir örnek, bir mıknatısın yüksek sıcaklıklarda demanyetizasyonudur.

Diğer taraftan malzemeyi soğutursanız, mıknatıs belirli bir kritik sıcaklığın altında tekrar oluşmaya başlar. Ancak bu, tüm malzemede eşit olarak gerçekleşmez. Bunun yerine, aynı anda farklı hizalanmış kuzey ve güney kutuplarına sahip birçok küçük mıknatıs oluşturulur. Böylece ortaya çıkan mıknatıs aslında birçok farklı, daha küçük mıknatısın bir mozaiğidir. Fizikçiler de bunun kusurlar içerdiğini söylüyorlar.

Kibble-Zurek mekanizması, bu kusurlardan kaçının beklendiğini (başka bir deyişle, malzemenin sonunda kaç tane mini mıknatıstan oluşacağını) tahmin eder. Özellikle ilginç olan, bu kusurların sayısının evrensel olması ve dolayısıyla mikroskobik ayrıntılardan bağımsız olmasıdır. Buna göre, birçok farklı malzeme, mikroskobik bileşimleri tamamen farklı olsa bile tam olarak aynı şekilde davranır.

Kibble-Zurek mekanizması ve Big Bang’den sonra galaksilerin oluşumu

Kibble-Zurek mekanizması başlangıçta evrendeki yapının oluşumunu açıklamak için tanıtıldı. Big Bang’den sonra, evren başlangıçta tamamen homojendi, bu da barındırılan maddenin mükemmel bir şekilde eşit olarak dağıldığı anlamına geliyor. Galaksilerin, güneşlerin veya gezegenlerin böyle homojen bir durumdan nasıl oluşmuş olabileceği uzun zamandır belirsizdi.

Bu bağlamda Kibble-Zurek mekanizması bir açıklama sağlar. Evren soğudukça, mıknatıslara benzer şekilde kusurlar gelişti. Bu arada, makroskopik dünyadaki bu süreçler iyi anlaşılmıştır. Ancak mekanizmanın geçerliliğini doğrulamanın henüz mümkün olmadığı bir tür faz geçişi vardır – daha önce bahsedilen kuantum faz geçişleri. Heyl, “Yalnızca -273 santigrat derece olan mutlak sıfır sıcaklık noktasında bulunurlar” diye açıklıyor. “Yani faz geçişi soğutma sırasında değil, etkileşim enerjisindeki değişiklikler yoluyla gerçekleşir – belki de basıncı değiştirmeyi düşünebilirsiniz.”

Bilim adamları şimdi bir süper bilgisayarda böyle bir kuantum faz geçişini simüle ettiler. Böylece Kibble-Zurek mekanizmasının kuantum dünyasında da geçerli olduğunu ilk kez gösterebildiler. Augsburg fizikçisi, “Bu kesinlikle açık bir sonuç değildi” diyor. “Çalışmamız, birçok parçacığın kuantum mekanik sistemlerinin dinamiklerini daha iyi tanımlamamızı ve dolayısıyla bu egzotik dünyayı yöneten kuralları daha kesin olarak anlamamızı sağlıyor.”


Kuantum kedisi için yeni kürk: İlk kez keşfedilen birçok atomun dolaşıklığı


Daha fazla bilgi:
Markus Schmitt ve diğerleri, iki boyutlu enine alan Ising modelinde Kuantum faz geçiş dinamiği, Bilim Gelişmeleri (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abl6850

Universität Augsburg tarafından sağlanmaktadır

Alıntı: Araştırmacılar kuantum fiziğinin temel sorusunu yanıtlıyor (2022, 22 Eylül), 22 Eylül 2022’de https://phys.org/news/2022-09-fundamental-quantum-physics.html adresinden alındı.

Bu belge telif haklarına tabidir. Özel çalışma veya araştırma amaçlı herhangi bir adil işlem dışında, yazılı izin alınmadan hiçbir bölüm çoğaltılamaz. İçerik yalnızca bilgi amaçlı sağlanmıştır.

Leave a Comment