Från vatten som kokar till ånga till isbitar som smälter i ett glas, vi har alla sett fenomenet som kallas en fasövergång i våra vardagliga liv. Men det finns en annan typ av fasövergång som är mycket svårare att se, men lika skarp:kvantfasövergångar.

När de kyls till nära absolut noll kan vissa material genomgå dessa kvantfasövergångar, vilket kan få en fysikers käke att falla. Materialet kan vända från att vara magnetiskt till icke-magnetiskt, eller så kan det plötsligt få superkraften att leda elektricitet utan att förlora energi som värme.

Matematiken bakom dessa övergångar är svår att hantera även för superdatorer – men en ny Physical Review A studie från University of Chicago föreslår ett nytt sätt att arbeta med dessa komplicerade beräkningar, som så småningom skulle kunna ge tekniska genombrott. Genvägen drar bara in den viktigaste informationen i ekvationen och skapar en "karta" över alla möjliga fasövergångar i systemet som simuleras.

"Det här är ett potentiellt kraftfullt sätt att se på kvantfasövergångar som kan användas med antingen traditionella eller kvantdatorer", säger David Mazziotti, en teoretisk kemist vid Institutionen för kemi och James Franck Institute vid University of Chicago och senior författare. av studien.

Han och andra forskare tror att om vi till fullo kan förstå den komplexa fysiken som ligger bakom kvantfasövergångar, kan vi låsa upp dörrar till ny teknik. Liknande upptäckter i det förflutna har till exempel lett till MRI-maskiner och transistorer som möjliggör moderna datorer och telefoner.

Ett strömlinjeformat tillvägagångssätt

De fasförändringar du är bekant med, såsom avdunstning och kondens, sker på grund av temperaturförändringar. Men kvantfasövergångar utlöses av viss interferens i deras miljö, till exempel ett magnetfält.

Fenomenet uppstår som ett resultat av att många elektroner verkar i förhållande till varandra - en typ av interaktion som faller under ett notoriskt komplext delfält som kallas "starkt korrelerad" fysik. Traditionellt, för att simulera dessa kvantfasövergångar, måste forskare skapa en modell som innehåller möjligheterna för varje enskild elektron. Men den datorkraft som behövs för att köra dessa simuleringar blir utom kontroll mycket snabbt.

Kvantdatorer anses vara bättre lämpade för denna typ av problem än konventionella datorer, men även denna metod har sina hinder:till exempel skapar dessa problem massor av data som sedan måste översättas tillbaka till språket för "vanliga" datorer för forskare att arbeta med dem.

Så forskarna ville se hur de kunde förenkla beräkningen utan att tappa exaktheten.

Istället för att skapa en simulering som beräknar varje enskild variabel i ett givet kvantsystem, hittade de ett annat tillvägagångssätt:att ersätta en uppsättning tal som beskriver möjliga interaktioner mellan varje elektronpar. Detta kallas en "matris med reducerad densitet med två elektroner."

"Genom att mäta uppsättningen som beskriver matrisen med reducerad densitet med två elektroner, skapar vi en karta över alla olika faser som kvantsystemet kan uppleva", förklarade doktorand Sam Warren, den första författaren till studien.

Denna "karta" i sig, sa han, erbjuder också användbara fördelar:"Den låter dig se övergångar som annars skulle kunna missas, och den skapar en riktigt kraftfull visualisering som låter dig enkelt och snabbt få en överblick över systemet på hög nivå. "

Teamet försökte använda metoden för att modellera flera olika typer av fasövergångar och fann att den var lika exakt som den traditionella, mer dataintensiva metoden.

"Det ger oss den grundläggande fysiken vi behöver för att förstå systemet, samtidigt som vi minimerar datorkraven", säger doktoranden LeeAnn Sager-Smith, den andra författaren till studien.

Mazziotti hoppas att metoden är användbar inte bara för att köra simuleringar på kvantdatorer, utan för att utveckla vår förståelse av kvantfasövergångar överlag. "Det finns några områden som har underutforskats eftersom de är så svåra att modellera", sa han. "Jag hoppas att det här tillvägagångssättet kan låsa upp några nya dörrar." + Utforska vidare

Ny kraftfull metod för att utforska fasövergångar i starkt korrelerade kvantsystem