Respuesta a una cuestión fundamental en física cuántica
Físicos han confirmado por primera vez una importante predicción teórica en física cuántica, con cálculos tan complejos que hasta ahora eran demasiado exigentes incluso para las supercomputadoras.
Sin embargo, los investigadores lograron simplificarlos considerablemente utilizando métodos del campo del aprendizaje automático. El estudio mejora la comprensión de los principios fundamentales del mundo cuántico. Ha sido publicado en la revista Science Advances.
El cálculo del movimiento de una sola bola de billar es relativamente simple. Sin embargo, predecir las trayectorias de una multitud de partículas de gas en un recipiente que chocan constantemente, se ralentizan y se desvían es mucho más difícil. Pero, ¿y si ni siquiera está del todo claro a qué velocidad se mueve cada partícula, de modo que tendrían innumerables velocidades posibles en un momento dado, difiriendo solo en su probabilidad?
La situación es similar en el mundo cuántico: las partículas mecánicas cuánticas pueden incluso tener todas las propiedades potencialmente posibles simultáneamente. Esto hace que el espacio de estado de los sistemas mecánicos cuánticos sea extremadamente grande. Si su objetivo es simular cómo las partículas cuánticas interactúan entre sí, debe considerar sus espacios de estado completos.
"Y eso es extremadamente complejo", dice en un comunicado el profesor Markus Heyl del Instituto de Física de la Universidad de Augsburgo, participante en la nueva investigación. "El esfuerzo computacional aumenta exponencialmente con la cantidad de partículas. Con más de 40 partículas, ya es tan grande que incluso las supercomputadoras más rápidas no pueden manejarlo. Este es uno de los grandes desafíos de la física cuántica".
Para simplificar este problema, el grupo de Heyl utilizó métodos del campo del aprendizaje automático: redes neuronales artificiales. Con estos, se puede reformular el estado mecánico cuántico. "Esto lo hace manejable para las computadoras", explica Heyl.
Utilizando este método, los científicos han investigado una predicción teórica importante que sigue siendo un desafío pendiente hasta el momento: el mecanismo cuántico Kibble-Zurek. Describe el comportamiento dinámico de los sistemas físicos en lo que se denomina una transición de fase cuántica. Un ejemplo de una transición de fase del mundo macroscópico y más intuitivo es la transición del agua al hielo. Otro ejemplo es la desmagnetización de un imán a altas temperaturas.
Si hace lo contrario y enfría el material, el imán comienza a formarse nuevamente por debajo de cierta temperatura crítica. Sin embargo, esto no sucede de manera uniforme en todo el material. En cambio, se crean al mismo tiempo muchos imanes pequeños con polos norte y sur alineados de manera diferente. Por lo tanto, el imán resultante es en realidad un mosaico de muchos imanes diferentes y más pequeños. Los físicos también dicen que contiene defectos.
Predecir los defectos cuánticos
El mecanismo Kibble-Zurek predice cuántos de estos defectos se esperan (en otras palabras, de cuántos mini-imanes estará compuesto el material). Lo que es particularmente interesante es que el número de estos defectos es universal y, por lo tanto, independiente de los detalles microscópicos. En consecuencia, muchos materiales diferentes se comportan exactamente de manera idéntica, incluso si su composición microscópica es completamente diferente.
El mecanismo Kibble-Zurek se introdujo originalmente para explicar la formación de estructuras en el universo. Después del Big Bang, el universo inicialmente era completamente homogéneo, lo que significa que la materia alojada se distribuía de manera perfectamente uniforme. Durante mucho tiempo no ha estado claro cómo pudieron formarse galaxias, soles o planetas a partir de un estado tan homogéneo.
En este contexto, el mecanismo Kibble-Zurek proporciona una explicación. A medida que el universo se enfriaba, los defectos se desarrollaron de manera similar a los imanes. Mientras tanto, estos procesos en el mundo macroscópico se comprenden bien. Pero hay un tipo de transición de fase para el que aún no ha sido posible verificar la validez del mecanismo, a saber, las transiciones de fase cuánticas ya mencionadas anteriormente. "Solo existen en el punto de temperatura cero absoluto de -273 grados centígrados", explica Heyl. "Entonces, la transición de fase no tiene lugar durante el enfriamiento, sino a través de cambios en la energía de interacción; tal vez podría pensar en variar la presión".
Los científicos ahora han simulado una transición de fase cuántica de este tipo en una supercomputadora. De este modo, pudieron demostrar por primera vez que el mecanismo Kibble-Zurek también se aplica en el mundo cuántico. "Esa no fue de ninguna manera una conclusión obvia", dice el físico de Augsburgo. "Nuestro estudio nos permite describir mejor la dinámica de los sistemas mecánicos cuánticos de muchas partículas y, por lo tanto, comprender con mayor precisión las reglas que gobiernan este mundo exótico".
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