Représentation schématique de la dynamique à travers une transition de phase dans un modèle bidimensionnel spin-1/2. Dans l'état paramagnétique initial (en bas), les spins s'alignent sur la direction du champ magnétique transversal. Une mesure de la configuration de spin dans cet état le long de la direction de commande donnerait alors généralement un motif aléatoire de spins 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, lors de la mesure des configurations de spin le long de la direction d'ordre, produira généralement un effondrement sur une mosaïque de tels domaines (en haut). En face avant, nous incluons la croissance de la plage de corrélation ferromagnétique en fonction du temps t à partir de t =−τQ à mesure que la rampe progresse à travers le régime critique avec le point critique situé à t =0. La longueur de cicatrisation ξˆ qui détermine la taille des domaines dans le mécanisme de Kibble-Zurek (KZ) est fixée au temps caractéristique ∣∣t∣
Une équipe internationale de physiciens, avec la participation de l'Université d'Augsbourg, a pour la première fois confirmé une prédiction théorique importante en physique quantique. Les calculs pour cela sont si complexes qu'ils se sont jusqu'à présent avérés trop exigeants, même pour les supercalculateurs. Cependant, les chercheurs ont réussi 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 Science Advances .
Le calcul du mouvement d'une seule boule de billard est relativement simple. Cependant, prédire les trajectoires d'une multitude de particules de gaz dans un vaisseau qui entrent constamment en collision, sont ralenties et déviées est beaucoup plus difficile. Mais que se passe-t-il s'il n'est même pas clair du tout à quelle vitesse chaque particule se déplace, de sorte qu'elles auraient d'innombrables vitesses possibles à un moment donné, ne différant que par leur probabilité ?
La situation est similaire dans le monde quantique :les particules mécaniques quantiques peuvent même 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", déclare le professeur Dr. Markus Heyl de l'Institut de physique de l'Université d'Augsbourg. "L'effort de calcul augmente de façon exponentielle avec le nombre de particules. Avec plus de 40 particules, il est déjà si gros que même les supercalculateurs les plus rapides sont incapables d'y faire face. 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 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.
En utilisant 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 lors de ce qu'on appelle une 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 procédez dans l'autre sens et que vous refroidissez le matériau, l'aimant recommence à se former 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. Ainsi, 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, de combien de mini-aimants le matériau sera finalement composé). 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 sait pas comment des galaxies, des soleils ou des planètes ont pu se former à partir d'un état aussi homogène.
Dans ce contexte, le mécanisme de Kibble-Zurek fournit une explication. Au fur et à mesure que l'univers se refroidissait, des défauts se sont développés de la même manière que les aimants. En attendant, 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 précédemment. "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 via des changements dans l'énergie d'interaction - vous pourriez peut-être penser 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 en aucun cas une conclusion évidente", déclare le physicien d'Augsbourg. "Notre étude nous permet de mieux décrire la dynamique des systèmes mécaniques quantiques de nombreuses particules et donc de comprendre plus précisément les règles qui régissent ce monde exotique." Nouvelle fourrure pour le chat quantique :Enchevêtrement de nombreux atomes découvert pour la première fois
