Les lois universelles régissant la dynamique des particules quantiques en interaction doivent encore être pleinement révélées à la communauté scientifique. Une équipe de chercheurs du Centre de Physique Théorique des Systèmes Complexes (PCS), au sein de l'Institut des sciences fondamentales (IBS à Daejeon, Corée du Sud) ont proposé d'utiliser une boîte à outils innovante qui leur permet d'obtenir des données de simulation d'une durée d'expérimentation équivalente à 60 ans. En étendant les horizons de calcul d'un jour à des échelles de temps sans précédent, les chercheurs de l'IBS ont pu confirmer qu'un nuage de particules quantiques continue de se propager même lors d'interactions particule à particule, initialement réputé être l'activateur de l'épandage, n'exercent presque aucune force. Leurs conclusions ont été publiées en ligne le 30 janvier 2019 sur Lettres d'examen physique .

L'ouvrage traite de deux des phénomènes les plus fondamentaux de la matière condensée :l'interaction et le désordre. Pensez aux gaz atomiques ultra-froids. Un atome du gaz est une particule quantique, et donc aussi une onde quantique, qui a à la fois une amplitude et une phase. Lorsque de telles particules quantiques, c'est-à-dire que les ondes ne se propagent pas dans un milieu désordonné, ils sont piégés et s'arrêtent complètement. Cette interférence destructrice des ondes en propagation est la localisation d'Anderson.

Particules microscopiques, décrit par la mécanique quantique, interagir en s'approchant les uns des autres. La présence d'interaction, au moins initialement, détruit la localisation dans un nuage de particules quantiques, et permet au nuage de s'échapper et de s'étaler, bien que très lentement et de manière subdiffusive. Lorsque les atomes interagissent (entrent en collision), ils échangent non seulement de l'énergie et de la quantité de mouvement, mais changent aussi leurs phases. L'interaction détruit les modèles d'onde réguliers, entraînant la perte de l'information de phase. Au fur et à mesure que le temps passe, le nuage s'étend et s'amincit.

De vifs débats au cours de la dernière décennie ont été consacrés à la question de savoir si le processus s'arrêtera parce que la force effective de l'interaction devient trop faible, ou pas. Des expériences avec des condensats de Bose-Einstein d'atomes de potassium ultrafroids ont été menées pendant jusqu'à 10 secondes alors que les chercheurs s'efforcent de maintenir le gaz atomique stable. Les calculs numériques ont été effectués pour un équivalent d'une journée. La physique computationnelle remarquablement théorique était déjà dans une situation unique pour être bien supérieure aux expériences !

L'équipe de chercheurs de l'IBS, dirigé par Sergej Flach, a décidé de donner à la dynamique des nuages ​​un nouveau test numérique difficile et d'étendre les horizons de calcul d'un jour à 60 ans en équivalent temps expérimental. Le principal défi est la lenteur du processus :il faut simuler longtemps la dynamique du cloud pour voir des changements significatifs. Le nouvel objectif était d'étendre considérablement les records précédents, par un facteur d'au moins dix mille, et développer simultanément une nouvelle approche pour les simulations rapides de modèles physiques durs du point de vue informatique.

L'équipe de recherche a observé des nuages ​​subdiffusifs se propageant jusqu'aux échelles de temps record étudiées. La clé du succès a été l'utilisation de ce que l'on appelle les promenades quantiques en temps discret, des plates-formes théoriques et expérimentales pour les calculs quantiques. Leur particularité est que le temps ne s'écoule pas en continu, mais augmente brusquement, devenir l'un des principaux facteurs d'accélération. Plusieurs outils techniques supplémentaires ont été utilisés pour réaliser les nouveaux temps records :puissances de supercalcul massives d'IBS, optimisation du programme, et l'utilisation de grappes d'unités de traitement graphique (GPU).

Les résultats de l'équipe posent de nouvelles questions complexes sur la compréhension de l'interaction entre l'interaction et le désordre. Les chercheurs de l'IBS-PCS continuent de travailler sur différents aspects du problème, à l'aide d'outils, y compris les promenades quantiques en temps discret. "Nous utilisons actuellement la même technique pour résoudre plusieurs autres problèmes de longue date qui nécessitent de nouvelles approches et puissances de calcul", dit Ihor Vakulchyk—Ph.D. étudiant de l'équipe de recherche. La boîte à outils proposée ouvre des possibilités apparemment illimitées pour le nouveau domaine de la modélisation quantique et l'optimisation des modèles informatiques en physique.