Ett genombrott inom teoretisk fysik är ett viktigt steg mot att förutsäga beteendet hos den grundläggande materia som vår värld är uppbyggd av. Den kan användas för att beräkna system med enorma mängder kvantpartiklar, en bedrift som tidigare troddes omöjlig.
Den nya forskningen vid Köpenhamns universitet kan visa sig ha stor betydelse för utformningen av kvantdatorer och kan till och med bli en karta över supraledare som fungerar vid rumstemperatur. Uppsatsen är publicerad i tidskriften Physical Review X .
I utkanten av teoretisk fysik undersöker Berislav Buca det nästan omöjliga med hjälp av "exotisk" matematik. Hans senaste teori är inget undantag. Genom att göra det möjligt att beräkna dynamiken, d.v.s. rörelser och interaktioner, hos system med enorma mängder kvantpartiklar har den levererat något som hade skrivits av i fysiken. En omöjlighet som möjliggjordes.
Den oväntade närvaron av en vit katt pryder illustrationerna av Bucas forskning. Katten Pulci är hans iögonfallande musa. Pilar genom kattens kropp illustrerar det kvantmekaniska ursprunget till den lekfulla kattens rörelser – och det är just detta förhållande som Buca försöker förstå genom att göra det möjligt att beräkna dynamiken hos de allra minsta partiklarna.
Genombrottet har återupplivat en gammal och grundläggande vetenskaplig fråga:Teoretiskt, om allt beteende i universum kan beräknas med hjälp av fysikens lagar, kan vi då förutsäga allt genom att beräkna dess minsta partiklar?
"Många fysikdiscipliner handlar ytterst om att förklara och förutsäga världen genom att förstå fysikens lagar och beräkna beteendet hos de minsta partiklarna. I princip skulle vi kunna svara på alla möjliga frågor om hur alla möjliga saker beter sig om vi kunde till", säger Buca vid Köpenhamns universitets Niels Bohr Institute.
"I princip kan beteendet hos allt i universum förstås utifrån de mikroskopiska lagar som styr partikeldynamiken", säger han samtidigt som han snabbt vädjar till försiktighet.
"Det kan jag såklart inte göra", säger teoretikern.
Kvantpartiklarnas interaktioner och rörelser i deras system är så komplexa, förklarar forskaren, att till och med världens mest kraftfulla superdator idag bara kan utföra beräkningar på ett dussin av dessa partiklar åt gången.
Samtidigt består en enda atom av minst två kvantpartiklar och ett enda sandkorn på cirka 50 miljarder gånger en miljard atomer – för att inte tala om en katt eller något annat man skulle vilja förstå i vårt universum.
"Så i praktiken är det inte möjligt. Inte för närvarande. Men min teori är ett viktigt steg i rätt riktning. Detta beror på att det krävs en slags matematisk genväg för att förstå dynamiken i helheten, utan att datorkraften går förlorad i detaljerna för en bred klass av system med många kvantpartiklar, det vill säga utan att behöva beräkna alla individuella partiklar i ett system", förklarar Buca.
Teorin har redan gjort sig ett namn genom att tillhandahålla det första matematiska beviset för en långvarig hypotes inom teoretisk fysik.
Hittills har den så kallade egentillstånds-termaliseringshypotesen varit ett antagande – en kvalificerad gissning – inom fysiken som ännu inte hade förklarats matematiskt. Det handlar om matematikens förmåga att beskriva kvantsystemens rörelser som helheter.
Således har Bucas teori redan visat sitt värde som grundläggande teoretisk forskning, och åstadkommit vad teoretiker länge ansett omöjligt. Även om resultaten främst intresserar fysikens ljusa sinnen för tillfället, kan konsekvenserna så småningom bli stora för oss alla.
Denna kunskap kan i slutändan visa vägen att söka efter kvantmaterial med egenskaper så unika att de kan förändra vår värld.
Dessa kvantmaterial är en förutsättning för att vi ska kunna gräva in våra klor i några av de största vetenskapliga "fåglarna på busken" – som stabila kvantdatorer eller till och med supraledare som arbetar vid rumstemperatur.
"Vi letar efter ett material för kvantdatorer som kan motstå entropi - en naturlag som gör att komplexa system - t.ex. material - förfaller till mindre komplexa former. Entropi förstör den koherens som krävs för att kvantdatorer ska vara stabila och fortsätta fungera, " förklarar Buca.
De exotiska matematiska systemen som från början inspirerade honom och gjorde hans forskningsgenombrott möjligt kan vara precis vad en kvantdator behöver för att vara riktigt användbar.
"De så kallade qubits som en kvantdator teoretiskt arbetar med måste vara i ett tillstånd av superposition för att fungera, vilket innebär att de samtidigt slås på och av - i vanliga fraser. Detta kräver att de är i ett stabilt kvanttillstånd. Men, termodynamiken gillar inte strukturerna som krävs av de nuvarande materialen. Min teori kanske kan informera oss om dessa exotiska system kan vara ett sätt att strukturera saker så att detta kvanttillstånd kan vara mer permanent, säger Buca.
Metoden är lite som en vägkarta som kan vägleda forskare över ett stort landskap av möjliga material genom att möjliggöra förutsägelser om hur dessa material skulle bete sig under experimentella förhållanden. För första gången ger detta forskare ett sätt att rikta sin sökning efter kvantmaterial utrustade med speciella egenskaper.
"Hittills har jakten på dessa material styrts av en slump. Men mina resultat kan för första gången ge en vägledande princip att navigera efter när man söker efter unika egenskaper i material", säger Buca.
Mer information: Berislav Buča, Unified Theory of Local Quantum Many-Body Dynamics:Eigenoperator Thermalization Theorems, Physical Review X (2023). DOI:10.1103/PhysRevX.13.031013
Journalinformation: Fysisk granskning X
Tillhandahålls av Köpenhamns universitet
