Des chercheurs répondent à la question fondamentale de la physique quantique

Des chercheurs répondent à la question fondamentale de la physique quantique

I ricercatori rispondono alla domanda fondamentale della fisica quantistica

Représentation schématique de la dynamique à travers une transition de phase dans un modèle spin-1/2 bidimensionnel. Dans l’état paramagnétique initial (en bas), les spins s’alignent avec la direction du champ magnétique transversal. Une mesure du modèle de rotation dans cet état le long de la direction de tri produirait alors généralement un modèle aléatoire de rotations pointant vers le haut (cônes bleus) ou vers le bas (cônes rouges). Après une rampe lente à travers un point critique quantique, le système développe une superposition quantique de domaines ferromagnétiques qui, en mesurant les configurations de spin le long de la direction d’ordre, s’effondreront généralement sur une mosaïque de ces domaines (en haut). Sur la face avant nous incluons la croissance de l’intervalle de corrélation ferromagnétique en fonction du temps t à partir de t = −τQ à mesure que la rampe avance dans le régime critique avec le point critique situé à t = 0. La longueur de guérison ξˆ qui détermine la taille des domaines dans le mécanisme de Kibble-Zurek (KZ) est fixée au temps caractéristique ∣∣t∣GS dépasse la vitesse maximale pertinente du son, c, dans le système. Le crédit: La science avance (2022). DOI : 10.1126 / sciadv.abl6850

Une équipe internationale de physiciens, avec la participation de l’Université d’Augusta, a pour la première fois confirmé une prédiction théorique importante en physique quantique. Les calculs pour cela sont si complexes que jusqu’à présent, ils se sont avérés trop difficiles, même pour les supercalculateurs. Cependant, les chercheurs sont parvenus à les simplifier considérablement en utilisant des méthodes issues du domaine de l’apprentissage automatique. L’étude améliore la compréhension des principes fondamentaux du monde quantique. Il a été publié dans la revue La science avance.

Le calcul du mouvement d’une seule boule de billard est relativement simple. Cependant, il est beaucoup plus difficile de prévoir les trajectoires d’une multitude de particules de gaz dans un navire qui se heurtent, ralentissent et dévient constamment. Mais que se passe-t-il s’il n’est même pas tout à fait clair à quelle vitesse exacte chaque particule se déplace, de sorte qu’elles ont des vitesses possibles infinies à un moment donné, ne différant que par leur probabilité ?

La situation est similaire dans le monde quantique : les particules mécaniques quantiques peuvent aussi avoir simultanément toutes les propriétés potentiellement possibles. Cela rend l’espace d’état des systèmes mécaniques quantiques extrêmement grand. Si vous souhaitez simuler la façon dont les particules quantiques interagissent les unes avec les autres, vous devez considérer leurs espaces d’états complets.

“Et c’est extrêmement complexe”, explique le professeur Dr. Markus Heyl de l’Institut de physique de l’Université d’Augusta. “L’effort de calcul augmente de manière exponentielle avec le nombre de particules. Avec plus de 40 particules, il est déjà si important que même les supercalculateurs les plus rapides sont incapables de le faire. C’est l’un des grands défis de la physique quantique.”

Les réseaux de neurones rendent le problème gérable

Pour simplifier ce problème, le groupe de Heyl a utilisé des méthodes issues du domaine de l’apprentissage automatique : les réseaux de neurones artificiels. Avec ceux-ci, l’état de la mécanique quantique peut être reformulé. “Cela le rend gérable pour les ordinateurs”, explique Heyl.

Grâce à cette méthode, les scientifiques ont étudié une prédiction théorique importante qui est restée jusqu’à présent un défi exceptionnel : le mécanisme quantique de Kibble-Zurek. Il décrit le comportement dynamique des systèmes physiques dans ce qu’on appelle la transition de phase quantique. Un exemple de transition de phase du monde macroscopique et plus intuitif est la transition de l’eau à la glace. Un autre exemple est la démagnétisation d’un aimant à haute température.

Si vous faites l’inverse et que vous refroidissez le matériau, l’aimant recommence à se reformer en dessous d’une certaine température critique. Cependant, cela ne se produit pas uniformément sur l’ensemble du matériau. Au lieu de cela, de nombreux petits aimants avec des pôles nord et sud alignés différemment sont créés en même temps. Par conséquent, l’aimant résultant est en fait une mosaïque de nombreux aimants différents et plus petits. Les physiciens disent aussi qu’il contient des défauts.

Le mécanisme de Kibble-Zurek prédit combien de ces défauts sont attendus (en d’autres termes, combien de mini-aimants le matériau finira par constituer). Ce qui est particulièrement intéressant, c’est que le nombre de ces défauts est universel et donc indépendant des détails microscopiques. En conséquence, de nombreux matériaux différents se comportent exactement de la même manière, même si leur composition microscopique est complètement différente.

Le mécanisme de Kibble-Zurek et la formation des galaxies après le Big Bang

Le mécanisme Kibble-Zurek a été introduit à l’origine pour expliquer la formation de la structure dans l’univers. Après le Big Bang, l’univers était initialement complètement homogène, ce qui signifie que la matière hébergée était parfaitement répartie. Pendant longtemps, on ne savait pas comment des galaxies, des soleils ou des planètes auraient pu se former à partir d’un état aussi homogène.

Dans ce contexte, le mécanisme de Kibble-Zurek apporte une explication. Au fur et à mesure que l’univers se refroidissait, les défauts se développaient comme des aimants. Pendant ce temps, ces processus dans le monde macroscopique sont bien compris. Mais il existe un type de transition de phase pour lequel il n’a pas encore été possible de vérifier la validité du mécanisme, à savoir les transitions de phase quantiques déjà évoquées plus haut. “Ils n’existent qu’au point de température zéro absolu de -273 degrés Celsius”, explique Heyl. “Ainsi, la transition de phase ne se produit pas pendant le refroidissement, mais par des changements dans l’énergie d’interaction : vous pourriez penser, peut-être, à faire varier la pression.”

Les scientifiques ont maintenant simulé une telle transition de phase quantique sur un supercalculateur. Ils ont ainsi pu montrer pour la première fois que le mécanisme de Kibble-Zurek s’applique également au monde quantique. “Ce n’était pas du tout une conclusion évidente”, explique le physicien d’Augusta. “Notre étude nous permet de mieux décrire la dynamique des systèmes mécaniques quantiques de nombreuses particules et ainsi de comprendre plus précisément les règles qui régissent ce monde exotique.”


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Plus d’information:
Markus Schmitt et al, Dynamique de transition de phase quantique dans le modèle d’Ising de champ transversal bidimensionnel, La science avance (2022). DOI : 10.1126 / sciadv.abl6850

Fourni par l’Université d’Augsbourg

Citation: Des chercheurs répondent à la question fondamentale de la physique quantique (2022, 22 septembre) récupéré le 22 septembre 2022 sur https://phys.org/news/2022-09-fundamental-quantum-physics.html

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