O întorsătură neașteptată în fizica cuantică poate explica dezechilibrul dintre materie și antimaterie

Lipsa simetriei în qubituri nu poate corecta erorile calcul cuantic, dar ar putea explica dezechilibrul materie / antimaterie.

O întorsătură neașteptată în teoria Kibble-Zurek oferă o nouă abordare pentru rezolvarea a două celebre probleme de fizică în ceea ce privește asimetria materie / antimaterie și separarea izotopilor.

O echipă de teoreticieni cuantici care încearcă să vindece o problemă de bază cu computerele cuantice de recoacere – trebuie să ruleze într-un ritm relativ lent pentru a funcționa corect – au găsit ceva interesant. În timp ce verifica performanța analizorilor cuantici atunci când aceștia funcționează mai repede decât se dorește, echipa a descoperit în mod neașteptat un nou efect care ar putea explica distribuția dezechilibrată a materiei și antimateriei în univers și o nouă abordare a separării izotopilor.

„Deși descoperirea noastră nu a vindecat constrângerea timpului de recoacere, a adus o clasă de noi probleme fizice care pot fi studiate acum cu anuctori cuantici fără a fi prea lente”, a spus Nikolai Sinitsyn, fizician teoretic la Laboratorul Național din Los Alamos. Sinitsyn este autorul lucrării publicate la 19 februarie 2021 a Scrisori de recenzie fizică, cu coautorii Bin Yan și Wojciech Zurek, ambii din Los Alamos și Vladimir Chernyak de la Wayne State University.

În mod semnificativ, această constatare relevă modul în care cel puțin două celebre probleme științifice pot fi rezolvate în viitor. Primul este asimetria aparentă dintre materie și antimaterie în univers.

„Credem că micile modificări ale experimentelor recente cu recoacerea cuantică a qubiturilor care interacționează, realizate din atomi ultrafoldi prin tranziții de fază, vor fi suficiente pentru a demonstra efectul nostru”, a spus Sinitsyn.

Răsucire neașteptată a teoriei Kibble-Zurek

Un nou articol care a încercat să remedieze o constrângere de timp pe computerele cuantice de recoacere a deschis o clasă de noi probleme fizice care pot fi acum studiate cu recuamatorii cuantici fără a fi prea lent. Credit: Laboratorul Național Los Alamos

Explicarea discrepanței materiei / antimateriei

Atât materia, cât și antimateria au rezultat din excitațiile energetice care au avut loc la nașterea universului. Simetria dintre modul în care interacționează materia și antimateria a fost ruptă, dar foarte slab. Nu este încă pe deplin clar cum această diferență subtilă ar putea duce la o mare dominație observată a materiei în comparație cu antimateria la scară cosmologică.

Efectul nou descoperit demonstrează că această asimetrie este posibilă fizic. Se întâmplă atunci când un sistem cuantic mare trece printr-o tranziție de fază, adică o rearanjare foarte clară a stării cuantice. În aceste condiții, interacțiunile puternice, dar simetrice, sunt aproximativ compensate. Diferențele subtile și persistente pot juca apoi un rol decisiv.

Faceți recurentele cuantice suficient de lente

Calculatoarele de recoacere cuantice sunt construite pentru a rezolva probleme complexe de optimizare prin asocierea variabilelor cu stări cuantice sau qubituri. Spre deosebire de biții binari ai unui computer clasic, care pot fi doar într-o stare sau valoare 0 sau 1, qubitii pot fi într-o suprapunere cuantică a valorilor intermediare. Aici toate computerele cuantice își obțin puterile impresionante, deși nu sunt încă neexploatate.

Într-un computer de recoacere cuantică, qubiturile sunt pregătite inițial într-o stare simplă de energie inferioară prin aplicarea unui câmp magnetic extern puternic. Acest câmp este dezactivat încet, în timp ce interacțiunile dintre qubituri sunt activate lent.

„În mod ideal, un analizor ar trebui să ruleze suficient de lent pentru a rula cu erori minime, dar din cauza inconsecvenței, analizorul ar trebui să fie rulat Mai repede ” A explicat Yan. Echipa a studiat efectul emergent atunci când cositoarele rulează la o viteză mai mare, ceea ce le limitează la un timp de funcționare finit.)

“Conform teoremei adiabatice a mecanicii cuantice, dacă toate modificările sunt foarte lente, așa-numitele adiabatice lente, qubitii trebuie să rămână întotdeauna în starea lor cea mai scăzută de energie”, a spus Sinitsyn. „Așadar, atunci când le măsurăm în cele din urmă, găsim setările dorite de 0 și 1 care reduc la minimum funcția de interes, ceea ce ar fi imposibil de realizat cu un computer clasic modern.”

Încurcat de inconsecvență

Cu toate acestea, dispozitivele de recoacere cuantice disponibile în prezent, la fel ca toate computerele cuantice de până acum, sunt afectate de interacțiunile qubiturilor lor cu mediul înconjurător, provocând inconsistență. Aceste interacțiuni restricționează comportamentul pur cuantic al qubiților la aproximativ o milionime de secundă. În această perioadă de timp, calculele trebuie să fie rapide (nediabetice) și excitațiile de energie nedorite modifică starea cuantică, introducând erori de calcul inevitabile.

Teoria Kibble-Zurek, dezvoltată în comun de Wojciech Zurek, prezice că majoritatea erorilor apar atunci când qubitii întâmpină o tranziție de fază, adică o rearanjare foarte puternică a stării lor cuantice colective.

Pentru această muncă, echipa a studiat un model rezolvabil cunoscut în care qubitii identici interacționează doar cu vecinii lor de-a lungul unui lanț; modelul verifică analitic teoria Kibble-Zurek. În căutarea teoreticienilor pentru a vindeca timpul limitat de funcționare în computerele cuantice de recuotare, aceștia au crescut complexitatea acestui model presupunând că qubitii ar putea fi împărțiți în două grupuri cu interacțiuni identice în cadrul fiecărui grup, dar interacțiuni ușor diferite pentru qubiturile din diferite grupuri.

În acest amestec, au descoperit un efect neobișnuit: un grup a produs încă o cantitate mare de excitație energetică în timpul trecerii unei tranziții de fază, dar celălalt grup a rămas la energia minimă ca și cum sistemul nu ar experimenta nicio tranziție de fază. .

„Modelul pe care l-am folosit este extrem de simetric pentru a fi rezolvabil și am găsit o modalitate de a extinde modelul, rupând simetria și rezolvându-l”, a explicat Sinitsyn. „Apoi am constatat că teoria lui Kibble-Zurek a supraviețuit, dar cu o întorsătură: jumătate din qubits nu disipează energia și s-au comportat„ bine ”. Cu alte cuvinte, și-au menținut stările fundamentale”.

Din păcate, cealaltă jumătate a qubit-urilor a produs multe erori de calcul, așa că până acum nu a existat nici un remediu pentru un pas printr-o tranziție de fază în computerele cuantice de recoacere.

Un nou mod de a separa izotopii

O altă problemă de lungă durată care poate beneficia de acest efect este separarea izotopilor. De exemplu, uraniul natural trebuie adesea separat în izotopi îmbogățiți și epuizați, astfel încât uraniul îmbogățit să poată fi utilizat în scopuri de energie nucleară sau de securitate națională. Procesul actual de separare este costisitor și consumă energie. Efectul descoperit înseamnă că, făcând un amestec de atomi ultra-interacționați care trec în mod dinamic printr-o tranziție de fază cuantică, izotopii selectivi pot fi excitați sau nu și apoi separați prin tehnica de deformare magnetică disponibilă.

Referință: „Tranziție de fază non-diabetică cu simetrie chirală întreruptă” Bin Yan, Vladimir Y. Chernyak (Wayne State University), Wojciech H. Zurek și Nikolai A. Sinitsyn. 19 februarie 2021, Scrisori de recenzie fizică.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.126.070602

Finanțare: Această lucrare a fost realizată cu sprijinul Departamentului de Energie al Statelor Unite, al Biroului de Științe, al Științelor Energetice de Bază, al Diviziei de Știința și Ingineria Materialelor, Programul Teoria Materiei Condensate. Bin Yan recunoaște, de asemenea, sprijinul Centrului LANL pentru Studii Neliniare.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Forțele evolutive competitive conduc la evoluția rapidă a Salamander Color

Salamandrele patate sunt o specie răspândită în estul Statelor Unite, care se întorc în iazuri temporare în primăvară pentru a se reproduce. Credit:...

Ce dezvăluie un râu glaciar deasupra stratului de gheață din Groenlanda și creșterea globală a nivelului mării

La marginea stratului de gheață din Groenlanda, unde ghețarii se topesc constant, apa curge peste tot printr-un sistem complicat de lacuri și cursuri de...

Producția de energie durabilă prin reducerea electrochimică

Credit ilustrativ: Cortland Johnson | PNNL Rezervele mici de biomasă, cum ar fi apele uzate, deșeurile alimentare și așchii de lemn, sunt adesea trecute...

Orientările privind distanța fizică trebuie actualizate pentru a reflecta noi științe

De Universitatea Northwestern 12 aprilie 2021 Dr. Robert Murphy a spus că ar trebui să putem merge pe trei picioare. Dr. Robert Murphy, director executiv al Institutului...

Lupii cenușii s-au adaptat perioadei de hrănire și au dispărut din era glaciară

Lupii cenușii călăresc cai în mediul de stepă mamut din Beringia în timpul Pleistocenului (acum aproximativ 25.000 de ani). Credit: Julius Tsotonii Lupii cenușii...

Newsletter

Subscribe to stay updated.