De universella lagarna som reglerar dynamiken i interagerande kvantpartiklar är ännu inte helt avslöjade för det vetenskapliga samfundet. Ett team av forskare vid Center for Theoretical Physics of Complex Systems (PCS), inom Institute for Basic Science (IBS i Daejeon, Sydkorea) har föreslagit att använda en innovativ verktygslåda som gör det möjligt för dem att få simuleringsdata motsvarande 60 års experimentell tid. Genom att förlänga beräkningshorisonterna från en dag till oöverträffade tidsskalor, IBS -forskarna kunde bekräfta att ett moln av kvantpartiklar fortsätter att spridas även när partikel till partikel interaktioner, ursprungligen anses vara aktiveraren av spridningen, utövar nästan ingen styrka. Deras resultat publicerades online den 30 januari 2019 kl Fysiska granskningsbrev .

Arbetet behandlar två av de mest grundläggande fenomenen i kondenserad materia:interaktion och oordning. Tänk på ultrakalla atomgaser. En atom från gasen är en kvantpartikel, och därmed en kvantvåg också, som har både amplitud och fas. När sådana kvantpartiklar, d.v.s. vågor misslyckas med att sprida sig i ett oordnat medium, de fastnar och stannar helt. Denna destruktiva störning av förökande vågor är Anderson -lokalisering.

Mikroskopiska partiklar, beskrivs med kvantmekanik, interagera när de närmar sig varandra. Närvaron av interaktion, åtminstone inledningsvis förstör lokalisering i ett moln av kvantpartiklar, och låter molnet fly och smetas ut, fast mycket långsamt och subdiffusivt. När atomer interagerar (kolliderar) utbyter de inte bara energi och momentum, men ändra deras faser också. Interaktionen förstör regelbundna vågmönster, vilket leder till förlust av fasinformationen. Med tiden sprider sig molnet och smalnar ut.

Heta debatter under det senaste decenniet ägnades åt frågan om processen kommer att sluta eftersom den interaktiva styrkan blir för låg, eller inte. Experiment med Bose-Einstein-kondensat av ultrakylda kaliumatomer har genomförts i upp till 10 sekunder när forskare försöker hålla atomgasen stabil. Numeriska beräkningar utfördes under motsvarande en dag. Anmärkningsvärt teoretisk beräkningsfysik var redan i en unik situation för att vara mycket bättre än experiment!

Teamet av IBS -forskare, ledd av Sergej Flach, bestämde sig för att ge molndynamiken ett nytt hårt numeriskt test och att förlänga beräkningshorisonterna från en dag till 60 år i experimentell tidsekvivalent. Den största utmaningen är den långsamma processen:man måste simulera molnens dynamik under lång tid för att se några betydande förändringar. Det nya målet var att förlänga de tidigare rekorden drastiskt, med en faktor på minst tiotusen, och att samtidigt utveckla en ny metod för snabba simuleringar av beräkningsmässigt hårda fysiska modeller.

Forskargruppen observerade subdiffusiva moln som spred sig fram till de undersökta rekordstiderna. Nyckeln till framgången var användningen av så kallade Discrete Time Quantum Walks-teoretiska och experimentella plattformar för kvantberäkningar. Deras unika egenskap är att tiden inte flödar kontinuerligt, men steg plötsligt, bli en av de viktigaste hastighetsfaktorerna. Flera ytterligare tekniska verktyg användes för att förverkliga de nya rekordtiderna:massiva superdatorer för IBS, programoptimering, och användningen av kluster av grafiska processorenheter (GPU).

Teamets resultat ställer komplicerade nya frågor om förståelsen av samspelet interaktion och oordning. IBS-PCS-forskare fortsätter att arbeta med olika aspekter av problemet, med hjälp av verktyg inklusive Discrete Time Quantum Walks. "Vi använder för närvarande samma teknik för att knäcka flera andra långvariga problem som kräver nya beräkningsmetoder och befogenheter", säger Ihor Vakulchyk — Ph.D. student i forskargruppen. Den föreslagna verktygslådan öppnar till synes gränslösa möjligheter för det nya området för kvantmodellering och optimering av datormodeller i fysik.