Исследователи использовали суперкомпьютер, чтобы проверить механизм Киббла — Зурека, квантовый эффект, который предсказывает динамику квантового фазового перехода. Исследование улучшает понимание фундаментальных принципов устройства мира.
Если вы хотите рассчитать движение одного бильярдного шара, это относительно просто. Гораздо сложнее предсказать траектории бесчисленных частиц газа в сосуде, которые постоянно сталкиваются, тормозятся и отклоняются. Предсказать поведение квантовых частиц еще труднее. Не удивительно, что даже самые мощные суперкомпьютеры не справляются с этой задачей.
Чтобы упростить эту задачу, ученые использовали искусственные нейросети, чтобы уменьшить степень неопределенности задача и переформулировать ее в форму, доступную для решения с помощью современных вычислительных средств.
Схематичное изображение фазового перехода в двумерной системе со спином 1/2. Изображение: Markus Schmitt et al., Science Advances
С помощью этого метода ученые исследовали важное теоретическое предсказание, которое до сих пор не удавалось рассчитать: квантово-механический механизм Киббла — Зурека. Он описывает динамическое поведение физических систем при так называемом квантовом фазовом переходе. Наиболее очевидный из них: смена агрегатных состояний вещества или потеря свойств магнитом при нагревании.
Например, если размагниченный материал начать охлаждать, то его свойства после определенной температуры вернутся. Этот момент называется фазовым переходом. При этом это происходит неравномерно по всему материалу. Вместо этого одновременно создается множество маленьких магнитов с полюсами, ориентированными в разных направлениях. Эту «мозаику магнитов» физики называют дефектами.
Механизм Киббла-Зурека был первоначально введен для объяснения формирования структуры Вселенной. После Большого Взрыва она была однородна, но по мере охлаждения в ней, как и в магнитах начали формироваться дефекты, которые и сформировали отдельные кластеры, галактики, звезды.
В своей работе ученым удалось показать, что этот же эффект работает и в микромире при температурах около абсолютного нуля, когда доминировать начинают квантовые эффекты.
