_ „În cele din urmă este vorba despre a prezice totul” — teoria ar putea fi o hartă în căutarea materialelor cuantice

O descoperire în fizica teoretică este un pas important către prezicerea comportamentului materiei fundamentale din care este construită lumea noastră. Poate fi folosit pentru a calcula sisteme de cantități enorme de particule cuantice, o performanță considerată imposibilă înainte.

Noua cercetare de la Universitatea din Copenhaga s-ar putea dovedi de mare importanță pentru proiectarea computerelor cuantice și ar putea fi chiar o hartă. la supraconductori care funcționează la temperatura camerei. Lucrarea este publicată în revista Physical Review X.

La marginea fizicii teoretice, Berislav Buca investighează aproape imposibilul prin intermediul matematicii „exotice”. Ultima sa teorie nu face excepție. Făcând posibilă calcularea dinamicii, adică mișcările și interacțiunile, a sistemelor cu cantități enorme de particule cuantice, a furnizat ceva care a fost anulat în fizică. O imposibilitate făcută posibilă.

Prezența neașteptată a unei pisici albe împodobește ilustrațiile cercetărilor lui Buca. Pisica Pulci este muza lui atrăgătoare. Săgețile prin corpul pisicii ilustrează originea mecanică cuantică a mișcărilor pisicii jucăușe – și tocmai aceasta este relația pe care Buca încearcă să o înțeleagă făcând posibilă calcularea dinamicii celor mai mici particule.

The descoperirea a revigorat o întrebare științifică veche și fundamentală: teoretic, dacă tot comportamentul din univers poate fi calculat prin intermediul legilor fizicii, atunci putem prezice totul calculând cele mai mici particule ale sale?

„Multe fizice disciplinele sunt în cele din urmă despre explicarea și prezicerea lumii prin înțelegerea legilor fizicii și calculul comportamentului celor mai mici particule. În principiu, am fi capabili să răspundem la orice posibilă întrebare despre cum se comportă tot felul de lucruri dacă am fi capabili să facem acest lucru". spune Buca de la Institutul Niels Bohr de la Universitatea din Copenhaga.

„În principiu, comportamentul tuturor lucrurilor din univers poate fi înțeles din legile microscopice care guvernează dinamica particulelor”, spune el, în timp ce apelează rapid la prudență. .

„Desigur că nu pot face asta”, spune teoreticianul.

Interacțiunile și mișcările particulelor cuantice în sistemele lor sunt atât de complexe, explică cercetătorul, încât chiar și cel mai puternic supercomputer din lume de astăzi este capabil să efectueze calcule doar pe o duzină de aceste particule simultan.

În același timp, un singur atom este format din cel puțin două particule cuantice și un singur granule de nisip de aproximativ 50 de miliarde de ori un miliard de atomi – ca să nu mai vorbim de o pisică sau orice altceva ar dori să înțelegem în universul nostru.

„Deci, în practică, nu este posibil. Nu momentan. Cu toate acestea, teoria mea este un pas semnificativ în direcția corectă. Acest lucru se datorează faptului că este nevoie de un fel de scurtătură matematică pentru a înțelege dinamica întregului, fără ca puterea de calcul să se piardă în detalii pentru o clasă largă de sisteme cu multe particule cuantice. Adică, fără a fi nevoie să se calculeze toate particulele individuale dintr-un sistem”, explică Buca.

Teoria și-a făcut deja un nume prin furnizarea primei dovezi matematice a unei ipoteze de lungă durată în fizică teoretică.

Până în prezent, așa-numita ipoteză a stării proprii a fost o presupunere – o presupunere educată – în fizică care nu a fost încă explicată matematic. Se referă la capacitatea matematicii de a descrie mișcările sistemelor cuantice în ansamblu.

Astfel, teoria lui Buca și-a demonstrat deja valoarea ca cercetare teoretică de bază și a realizat ceea ce teoreticienii consideraseră imposibil de mult timp. În timp ce rezultatele interesează în principal mințile strălucite ale fizicii deocamdată, consecințele ar putea fi în cele din urmă grozave pentru noi toți.

Aceste cunoștințe ar putea sfârși prin a arăta calea către materialele cuantice căutate cu proprietăți atât de unice încât ar putea transforma lumea noastră.

Aceste materiale cuantice sunt o condiție prealabilă pentru a ne săpă ghearele în unele dintre cele mai mari „păsări din tufiș” științifice — cum ar fi computerele cuantice stabile sau chiar supraconductorii care funcționează la temperatura camerei.

„Căutăm un material pentru calculatoarele cuantice care să reziste entropiei — o lege a natura care face ca sistemele complexe, de exemplu, materialele, să se degradeze în forme mai puțin complexe. Entropia distruge coerența necesară pentru ca computerele cuantice să fie stabile și să continue să funcționeze", explică Buca.

Sistemele de matematică exotice care au inspirat inițial el și a făcut posibilă descoperirea sa în cercetare ar putea fi exact ceea ce are nevoie un computer cuantic pentru a fi cu adevărat util.

„Așa-numiții qubiți cu care lucrează teoretic un computer cuantic trebuie să fie într-o stare de suprapunere pentru a funcționa, ceea ce înseamnă că sunt activate și dezactivate simultan — în formularea comună. Acest lucru le cere să fie într-o stare cuantică stabilă. Cu toate acestea, termodinamicii nu-i plac structurile cerute de materialele actuale. Teoria mea ar putea fi capabilă să ne informeze dacă aceste sisteme exotice pot fi o modalitate de a structura lucrurile, astfel încât această stare cuantică să fie mai permanentă”, spune Buca.

Metoda este un pic ca o foaie de parcurs care poate ghidați cercetătorii printr-un peisaj vast de materiale posibile, permițând predicții despre modul în care aceste materiale s-ar comporta în condiții experimentale. Pentru prima dată, acest lucru oferă cercetătorilor o modalitate de a-și orienta căutarea materialelor cuantice echipate cu proprietăți speciale.

„Până acum, vânătoarea acestor materiale a fost guvernată de întâmplare. Dar rezultatele mele pot, pentru prima dată, să ofere un principiu călăuzitor după care să navighezi atunci când cauți proprietăți unice în materiale”, spune Buca.

(Fluierul)