As leis universais que governam a dinâmica das partículas quânticas em interação ainda não foram totalmente reveladas à comunidade científica. Uma equipe de pesquisadores do Centro de Física Teórica de Sistemas Complexos (PCS), dentro do Institute for Basic Science (IBS em Daejeon, Coréia do Sul) propôs o uso de uma caixa de ferramentas inovadora que lhes permite obter dados de simulação equivalentes a 60 anos de tempo experimental. Ao estender os horizontes computacionais de um dia para escalas de tempo sem precedentes, os pesquisadores do IBS foram capazes de confirmar que uma nuvem de partículas quânticas continua a se espalhar mesmo quando interações de partícula a partícula, originalmente considerado o ativador da propagação, quase não exerce força. Suas descobertas foram publicadas online em 30 de janeiro de 2019 em Cartas de revisão física .

O trabalho trata de dois dos fenômenos mais fundamentais da matéria condensada:interação e desordem. Pense em gases atômicos ultrafrios. Um átomo do gás é uma partícula quântica, e, portanto, uma onda quântica também, que tem amplitude e fase. Quando tais partículas quânticas, ou seja, as ondas não conseguem se propagar em um meio desordenado, eles ficam presos e param por completo. Essa interferência destrutiva de ondas em propagação é a localização de Anderson.

Partículas microscópicas, descrito pela mecânica quântica, interagir quando se aproximam. A presença de interação, pelo menos inicialmente, destrói a localização em uma nuvem de partículas quânticas, e permite que a nuvem escape e se espalhe, embora muito lenta e subdifusivamente. Quando os átomos interagem (colidem), eles trocam não apenas energia e momento, mas mude suas fases também. A interação destrói os padrões de onda regulares, levando à perda das informações de fase. Conforme o tempo passa, a nuvem se espalha e se dilui.

Os debates acalorados na última década foram dedicados à questão de saber se o processo vai parar porque a força efetiva de interação torna-se muito baixa, ou não. Experimentos com condensados ​​de Bose-Einstein de átomos de potássio ultracold foram conduzidos por até 10 segundos enquanto os pesquisadores se esforçam para manter o gás atômico estável. Os cálculos numéricos foram realizados para o equivalente a um dia. Notavelmente, a física computacional teórica já estava em uma situação única para ser muito superior aos experimentos!

A equipe de pesquisadores do IBS, liderado por Sergej Flach, decidiu dar à dinâmica da nuvem um novo teste numérico rígido e estender os horizontes computacionais de um dia para 60 anos em tempo experimental equivalente. O principal desafio é a lentidão do processo:é preciso simular a dinâmica da nuvem por muito tempo para ver mudanças significativas. O novo objetivo era estender drasticamente os recordes anteriores, por um fator de pelo menos dez mil, e simultaneamente desenvolver uma nova abordagem para simulações rápidas de modelos físicos computacionalmente difíceis.

A equipe de pesquisa observou nuvens subdifusivas se espalhando até as escalas de tempo recorde investigadas. A chave para o sucesso foi o uso das chamadas caminhadas quânticas em tempo discreto - plataformas teóricas e experimentais para cálculos quânticos. Sua característica única é que o tempo não flui continuamente, mas incrementos abruptamente, tornando-se um dos principais fatores de aceleração. Várias ferramentas técnicas adicionais foram usadas para realizar os novos tempos recordes:os poderes de supercomputação maciça do IBS, otimização do programa, e o uso de clusters de unidades de processamento gráfico (GPU).

Os resultados da equipe colocam novas questões complicadas sobre a compreensão da interação entre interação e desordem. Os pesquisadores IBS-PCS continuam a trabalhar em diferentes aspectos do problema, usando ferramentas incluindo Discrete Time Quantum Walks. "Estamos atualmente empregando a mesma técnica para quebrar vários outros problemas de longa data que requerem novas abordagens computacionais e poderes", diz Ihor Vakulchyk — Ph.D. aluno da equipe de pesquisa. A caixa de ferramentas proposta abre possibilidades aparentemente ilimitadas para o novo campo da Modelagem Quântica e otimização de modelos de computador na física.