Pesquisadores respondem a questão fundamental da física quântica

Representação esquemática da dinâmica através de uma transição de fase em um modelo bidimensional spin-1/2. No estado paramagnético inicial (parte inferior), os spins se alinham com a direção do campo magnético transversal. Uma medição da configuração de spin nesse estado ao longo da direção de ordenação normalmente produziria um padrão aleatório de spins apontando para cima (cones azuis) ou para baixo (cones vermelhos). Após uma rampa lenta em um ponto crítico quântico, o sistema desenvolve uma superposição quântica de domínios ferromagnéticos, que, ao medir as configurações de spin ao longo da direção de ordenação, produzirá tipicamente um colapso em um mosaico de tais domínios (topo). Na face frontal, incluímos o crescimento da faixa de correlação ferromagnética em função do tempo t a partir de t =−τ_Q à medida que a rampa progride através do regime crítico com o ponto crítico localizado em t =0. O comprimento de cura ξˆ que determina o tamanho dos domínios no mecanismo Kibble-Zurek (KZ) é definido no tempo característico ∣∣t∣GS excede a velocidade máxima do som relevante, c, no sistema. Crédito:Avanços Científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abl6850

Uma equipe internacional de físicos, com a participação da Universidade de Augsburg, confirmou pela primeira vez uma importante previsão teórica em física quântica. Os cálculos para isso são tão complexos que até agora se mostraram muito exigentes mesmo para supercomputadores. No entanto, os pesquisadores conseguiram simplificá-los consideravelmente usando métodos do campo do aprendizado de máquina. O estudo melhora a compreensão dos princípios fundamentais do mundo quântico. Foi publicado na revista Science Advances .
O cálculo do movimento de uma única bola de bilhar é relativamente simples. No entanto, prever as trajetórias de uma infinidade de partículas de gás em um recipiente que estão constantemente colidindo, sendo desaceleradas e desviadas é muito mais difícil. Mas e se não estiver nem um pouco claro o quão rápido cada partícula está se movendo, de modo que elas teriam inúmeras velocidades possíveis a qualquer momento, diferindo apenas em sua probabilidade?

A situação é semelhante no mundo quântico:as partículas da mecânica quântica podem até ter todas as propriedades potencialmente possíveis simultaneamente. Isso torna o espaço de estados dos sistemas mecânicos quânticos extremamente grande. Se você pretende simular como as partículas quânticas interagem umas com as outras, você deve considerar seus espaços de estado completos.

"E isso é extremamente complexo", diz o Prof. Dr. Markus Heyl, do Instituto de Física da Universidade de Augsburg. "O esforço computacional aumenta exponencialmente com o número de partículas. Com mais de 40 partículas, já é tão grande que mesmo os supercomputadores mais rápidos não conseguem lidar com isso. Esse é um dos grandes desafios da física quântica."

As redes neurais tornam o problema gerenciável

Para simplificar esse problema, o grupo de Heyl usou métodos do campo do aprendizado de máquina – redes neurais artificiais. Com estes, o estado da mecânica quântica pode ser reformulado. "Isso o torna gerenciável para computadores", explica Heyl.

Usando esse método, os cientistas investigaram uma importante previsão teórica que permaneceu um desafio pendente até agora – o mecanismo quântico de Kibble-Zurek. Ele descreve o comportamento dinâmico de sistemas físicos no que é chamado de transição de fase quântica. Um exemplo de transição de fase do mundo macroscópico e mais intuitivo é a transição da água para o gelo. Outro exemplo é a desmagnetização de um ímã em altas temperaturas.

Se você fizer o contrário e resfriar o material, o ímã começa a se formar novamente abaixo de uma certa temperatura crítica. No entanto, isso não acontece uniformemente em todo o material. Em vez disso, muitos pequenos ímãs com pólos norte e sul alinhados de forma diferente são criados ao mesmo tempo. Assim, o ímã resultante é na verdade um mosaico de muitos ímãs menores e diferentes. Os físicos também dizem que contém defeitos.

O mecanismo Kibble-Zurek prevê quantos desses defeitos são esperados (em outras palavras, de quantos mini-ímãs o material será composto). O que é particularmente interessante é que o número desses defeitos é universal e, portanto, independente de detalhes microscópicos. Assim, muitos materiais diferentes se comportam exatamente de maneira idêntica, mesmo que sua composição microscópica seja completamente diferente.

O mecanismo Kibble-Zurek e a formação de galáxias após o Big Bang

O mecanismo Kibble-Zurek foi originalmente introduzido para explicar a formação da estrutura no universo. Após o Big Bang, o universo era inicialmente completamente homogêneo, o que significa que a matéria hospedada foi distribuída perfeitamente uniformemente. Por muito tempo não ficou claro como galáxias, sóis ou planetas poderiam ter se formado a partir de um estado tão homogêneo.

Neste contexto, o mecanismo Kibble-Zurek fornece uma explicação. À medida que o universo estava esfriando, os defeitos se desenvolveram de maneira semelhante aos ímãs. Enquanto isso, esses processos no mundo macroscópico são bem compreendidos. Mas há um tipo de transição de fase para o qual ainda não foi possível verificar a validade do mecanismo – a saber, as transições de fase quântica já mencionadas anteriormente. "Eles só existem no ponto de temperatura zero absoluto de -273 graus Celsius", explica Heyl. "Assim, a transição de fase não ocorre durante o resfriamento, mas por meio de mudanças na energia de interação - você poderia pensar, talvez, em variar a pressão."

Os cientistas agora simularam essa transição de fase quântica em um supercomputador. Eles foram capazes de mostrar pela primeira vez que o mecanismo Kibble-Zurek também se aplica ao mundo quântico. "Isso não foi de forma alguma uma conclusão óbvia", diz o físico de Augsburg. “Nosso estudo nos permite descrever melhor a dinâmica dos sistemas mecânicos quânticos de muitas partículas e, portanto, entender com mais precisão as regras que governam esse mundo exótico”. + Explorar mais