Нарушение горизонтов: универсальные законы распространения. Универсальные законы, управляющие динамикой взаимодействующих квантовых частиц, еще предстоит полностью раскрыть научному сообществу. Группа исследователей в Центре теоретической физики сложных систем (PCS), в Институте фундаментальных наук (IBS в Тэджоне, Южная Корея) предложила использовать инновационный инструментарий, который позволяет им получать данные моделирования, эквивалентные 60 годам Экспериментальное время. 

Расширяя вычислительные горизонты от одного дня до беспрецедентных временных масштабов, исследователи IBS смогли подтвердить, что облако квантовых частиц продолжает распространяться даже тогда, когда взаимодействия между частицами, первоначально считавшиеся активатором распространения, почти не проявляют силы. Их результаты были опубликованы в сети 30 января 2019 года в Physical Review Letters.

Вертикальные стрелки показывают действие квантовой монеты в каждой двухуровневой системе, а горизонтальные показывают действие оператора переноса. Фото: IBS

В работе рассматриваются два наиболее фундаментальных явления конденсированной материи: взаимодействие и беспорядок. Подумайте об ультрахолодных атомных газах. Один атом из газа является квантовой частицей и, следовательно, квантовой волной, которая имеет как амплитуду, так и фазу. Когда такие квантовые частицы, т.е. волны не могут распространяться в неупорядоченной среде, они попадают в ловушку и полностью останавливаются. Эта разрушительная интерференция распространяющихся волн является локализацией Андерсона.

Микроскопические частицы, описываемые квантовой механикой, взаимодействуют при сближении. Наличие взаимодействия, по крайней мере на начальном этапе, разрушает локализацию в облаке квантовых частиц и позволяет облаку убегать и размазываться, хотя и очень медленно и диффузно. Когда атомы взаимодействуют (сталкиваются), они обмениваются не только энергией и импульсом, но и меняют свои фазы. Взаимодействие разрушает регулярные волновые структуры, что приводит к потере фазовой информации. С течением времени облако распространяется и истончается.

Горячие дебаты за последнее десятилетие были посвящены вопросу о том, остановится ли процесс, потому что эффективная сила взаимодействия становится слишком низкой или нет. Эксперименты с бозе-эйнштейновскими конденсатами ультрахолодных атомов калия проводились до 10 секунд, так как исследователи изо всех сил стараются поддерживать стабильность атомного газа. Численные расчеты проводились для эквивалента одного дня. Примечательно, что теоретическая вычислительная физика уже оказалась в уникальной ситуации, превосходящей эксперименты!

Профили плотности волнового пакета с нулевой и ненулевой нелинейностью

Профили плотности волнового пакета с нулевой (оранжевой, с учетом локализации Андерсона) и ненулевой (синими, с учетом локализации Андерсона) нелинейностью. Время моделирования достигает 2 * 10 ^ 12. Фото: IBS

Команда исследователей IBS, возглавляемая Сергеем Флачем, решила провести динамику облаков новым жестким численным тестом и расширить вычислительные горизонты с одного дня до 60 лет в экспериментальном эквиваленте времени. Основная проблема заключается в медленном темпе процесса: нужно долго моделировать динамику облака, чтобы увидеть какие-либо существенные изменения. Новая цель состояла в том, чтобы значительно расширить предыдущие записи, по крайней мере, в десять тысяч раз, и одновременно разработать новый подход к быстрому моделированию вычислительно сложных физических моделей.

Исследовательская группа наблюдала за распространением субдиффузионных облаков до рекордных временных масштабов. Ключом к успеху было использование так называемых дискретных временных квантовых прогулок — теоретических и экспериментальных платформ для квантовых вычислений. Их уникальная особенность заключается в том, что время не течет непрерывно, а резко увеличивается, становясь одним из основных факторов ускорения. Для реализации новых рекордных времен использовалось несколько дополнительных технических инструментов: огромные суперкомпьютерные возможности IBS, оптимизация программ и использование кластеров графических процессоров (GPU).

Результаты команды ставят сложные новые вопросы о понимании взаимодействия взаимодействия и беспорядка. Исследователи IBS-PCS продолжают работать над различными аспектами проблемы, используя такие инструменты, как дискретные измерения времени. «В настоящее время мы применяем ту же технику, чтобы взломать несколько других давних проблем, которые требуют новых вычислительных подходов и возможностей», — говорит Игорь Вакульчик, доктор философии. студент исследовательской группы. Предлагаемый инструментарий открывает, казалось бы, безграничные возможности для новой области квантового моделирования и оптимизации компьютерных моделей в физике.

По материалам phys.org