Naturens hastighetsbegränsningar finns inte på vägskyltar, men fysiker från Rice University har upptäckt ett nytt sätt att härleda dem till det som är bättre - oändligt mycket bättre, i vissa fall - än tidigare metoder.

"Den stora frågan är 'Hur snabbt kan någonting - information, massa, energi - rör dig i naturen? '"sa Kaden Hazzard, en teoretisk kvantfysiker vid Rice. "Det visar sig att om någon ger dig ett material, det är otroligt svårt, i allmänhet, för att svara på frågan. "

I en studie publicerad idag i American Physical Society journal PRX Quantum , Hazzard och Rice doktorand Zhiyuan Wang beskriver en ny metod för att beräkna den övre gränsen för hastighetsgränser i kvantämne.

"På en grundläggande nivå, dessa gränser är mycket bättre än vad som tidigare var tillgängligt, "sa Hazzard, en biträdande professor i fysik och astronomi och medlem i Rice Center for Quantum Materials. "Denna metod ger ofta gränser som är 10 gånger mer exakta, och det är inte ovanligt att de är 100 gånger mer exakta. I vissa fall, förbättringen är så dramatisk att vi hittar begränsade hastighetsgränser där tidigare tillvägagångssätt förutsade oändliga. "

Naturens yttersta hastighetsgräns är ljusets hastighet, men i nästan alla frågor omkring oss, energin och informationens hastighet är mycket långsammare. Ofta, det är omöjligt att beskriva denna hastighet utan att ta hänsyn till kvanteffekternas stora roll.

På 1970 -talet, fysiker visade att information måste gå mycket långsammare än ljusets hastighet i kvantmaterial, och även om de inte kunde beräkna en exakt lösning för hastigheterna, fysikerna Elliott Lieb och Derek Robinson föregick matematiska metoder för att beräkna de övre gränserna för dessa hastigheter.

"Tanken är att även om jag inte kan berätta den exakta topphastigheten, kan jag säga att toppfarten måste vara mindre än ett visst värde, "Sa Hazzard." Om jag kan ge 100% garanti för att det verkliga värdet är mindre än den övre gränsen, det kan vara oerhört användbart. "

Hazzard sa att fysiker länge har vetat att några av de gränser som produceras av Lieb-Robinson-metoden är "löjligt oprecisa".

"Det kan säga att information måste röra sig mindre än 100 miles per timme i ett material när den verkliga hastigheten mättes till 0,01 miles per timme, "sa han." Det är inte fel, men det är inte särskilt hjälpsamt. "

De mer exakta gränserna som beskrivs i PRX Quantum -papper beräknades med en metod som Wang skapade.

"Vi uppfann ett nytt grafiskt verktyg som låter oss redogöra för de mikroskopiska interaktionerna i materialet istället för att bara förlita oss på grövre egenskaper som dess gitterstruktur, "Sa Wang.

Hazzard sa Wang, en tredjeårs doktorand, har en otrolig talang för att syntetisera matematiska relationer och göra om dem i nya termer.

"När jag kontrollerar hans beräkningar, Jag kan gå steg för steg, bläddra igenom beräkningarna och se att de är giltiga, "Sade Hazzard." Men för att faktiskt ta reda på hur man kommer från punkt A till punkt B, vilken uppsättning steg att ta när det finns en oändlig mängd saker du kan prova vid varje steg, kreativiteten är bara fantastisk för mig. "

Wang-Hazzard-metoden kan appliceras på vilket material som helst av partiklar som rör sig i ett diskret galler. Det inkluderar ofta studerade kvantmaterial som högtemperatur superledare, topologiska material, tunga fermioner och andra. I var och en av dessa, materialens beteende härrör från interaktioner mellan miljarder på miljarder partiklar, vars komplexitet är bortom direkt beräkning.

Hazzard sa att han förväntar sig att den nya metoden ska användas på flera sätt.

"Förutom det grundläggande i detta, det kan vara användbart för att förstå kvantdatorers prestanda, särskilt för att förstå hur lång tid det tar att lösa viktiga problem inom material och kemi, " han sa.

Hazzard sa att han är säker på att metoden också kommer att användas för att utveckla numeriska algoritmer eftersom Wang har visat att det kan sätta strikta gränser för de fel som produceras av ofta använda numeriska tekniker som approximerar beteendet hos stora system.

En populär teknik som fysiker har använt i mer än 60 år är att approximera ett stort system med ett litet som kan simuleras av en dator.

"Vi ritar en liten låda runt en ändlig bit, simulera det och hoppas att det räcker för att approximera det gigantiska systemet, "Sade Hazzard." Men det har inte funnits ett rigoröst sätt att begränsa felen i dessa approximationer. "

Wang-Hazzard-metoden för att beräkna gränser kan leda till just det.

"Det finns ett inneboende samband mellan felet i en numerisk algoritm och hastigheten på informationsutbredning, "Förklarade Wang, använder ljudet av hans röst och väggarna i sitt rum för att illustrera länken.

"Den ändliga delen har kanter, precis som mitt rum har väggar. När jag talar, ljudet kommer att reflekteras av väggen och eka tillbaka till mig. I ett oändligt system, det finns ingen kant, så det finns inget eko. "

I numeriska algoritmer, fel är den matematiska ekvivalenten av ekon. De ekar från kanterna på den ändliga lådan, och reflektionen undergräver algoritmernas förmåga att simulera det oändliga fallet. Den snabbare informationen rör sig genom det ändliga systemet, ju kortare tid algoritmen troget representerar det oändliga.

Hazzard sa att han Wang och andra i hans forskargrupp använder sin metod för att skapa numeriska algoritmer med garanterade felstaplar.

"Vi behöver inte ens ändra de befintliga algoritmerna för att sätta strikta, garanterade felstaplar på beräkningarna, "sa han." Men du kan också vända på det och använda detta för att skapa bättre numeriska algoritmer. Vi utforskar det, och andra människor är också intresserade av att använda dessa. "