Des scientifiques créent une méthode pour calculer efficacement les transitions de phase quantique


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  • De l’eau bouillante en vapeur aux glaçons fondant dans un verre, nous avons tous vu le phénomène connu sous le nom de transition de phase dans notre vie quotidienne. Mais il existe un autre type de transition de phase qui est beaucoup plus difficile à voir, mais tout aussi frappant : quantum transitions de phases.

    Lorsqu’ils sont refroidis presque au zéro absolu, certains matériaux peuvent subir ces transitions de phase quantiques, ce qui peut faire tomber la mâchoire d’un physicien. Le matériau peut passer de magnétique à non magnétique, ou il peut soudainement acquérir le super pouvoir de conduire l’électricité sans perte d’énergie sous forme de chaleur.

    Les mathématiques derrière ces transitions sont difficiles à gérer, même pour les supercalculateurs – mais une nouvelle étude de l’Université de Chicago suggère une nouvelle façon de travailler avec ces calculs compliqués, qui pourraient éventuellement conduire à des percées technologiques. Le raccourci extrait uniquement les informations les plus importantes dans l’équation et crée une « carte » de toutes les transitions de phase possibles dans le système simulé.

    « Il s’agit d’un moyen potentiellement puissant d’examiner les transitions de phase quantiques qui peuvent être utilisées avec des ordinateurs traditionnels ou quantiques », a déclaré David Mazziotti, chimiste théoricien au Département de chimie et au James Franck Institute de l’Université de Chicago et auteur principal. de l’étude.

    Lui et d’autres scientifiques pensent que si nous pouvons comprendre pleinement la physique complexe en jeu derrière les transitions de phase quantiques, nous pourrions ouvrir les portes de nouvelles technologies. Des découvertes similaires dans le passé, par exemple, ont conduit aux appareils d’IRM et aux transistors qui rendent possibles les ordinateurs et les téléphones modernes.

    Une approche simplifiée

    Les changements de phase que vous connaissez bien, tels que l’évaporation et la condensation, se produisent en raison des changements de température. Mais les transitions de phase quantiques sont déclenchées par certaines interférences dans leur environnement, comme un champ magnétique.

    Le phénomène se produit à la suite de nombreux électrons agissant en relation les uns avec les autres – un type d’interaction qui relève d’un sous-domaine notoirement complexe connu sous le nom de physique « fortement corrélée ». Traditionnellement, pour simuler ces transitions de phase quantiques, les scientifiques doivent créer un modèle qui intègre les possibilités de chaque électron. Mais la puissance de calcul nécessaire pour exécuter ces simulations devient très rapidement incontrôlable.

    On pense que les ordinateurs quantiques sont mieux adaptés à ce type de problème que les ordinateurs conventionnels, mais même cette méthode a ses obstacles : par exemple, ces problèmes créent une tonne de données qui doivent ensuite être retraduites dans le langage des ordinateurs « ordinaires ». pour que les scientifiques travaillent avec eux.

    Les chercheurs ont donc voulu voir comment ils pouvaient simplifier le calcul sans perdre en précision.

    Au lieu de créer une simulation qui calcule chaque variable dans un système quantique donné, ils ont trouvé une approche différente : substituer un ensemble de nombres qui décrit les interactions possibles entre chaque paire d’électrons. C’est ce qu’on appelle une « matrice à densité réduite à deux électrons ».

    « En mesurant l’ensemble qui décrit la matrice de densité réduite à deux électrons, nous finissons par créer une carte de toutes les différentes phases que le système quantique peut connaître », a expliqué l’étudiant diplômé Sam Warren, le premier auteur de l’étude.

    Cette « carte » elle-même, a-t-il dit, offre également des avantages utiles : « Elle vous permet de voir les transitions qui pourraient autrement être manquées, et elle crée une visualisation vraiment puissante qui vous permet de saisir facilement et rapidement une vue d’ensemble de haut niveau du système. « 

    L’équipe a essayé d’utiliser la méthode pour modéliser plusieurs types de transitions de phase et a constaté qu’elle était tout aussi précise que la méthode traditionnelle, plus gourmande en données.

    « Cela nous donne la physique fondamentale dont nous avons besoin pour comprendre le système, tout en minimisant les exigences informatiques », a déclaré l’étudiante diplômée LeeAnn Sager-Smith, deuxième auteur de l’étude.

    Mazziotti espère que la méthode sera utile non seulement pour exécuter des simulations sur des ordinateurs quantiques, mais aussi pour développer notre compréhension des transitions de phase quantiques en général. « Certains domaines ont été sous-explorés car ils sont si difficiles à modéliser », a-t-il déclaré. « J’espère que cette approche pourra ouvrir de nouvelles portes. »

    Financement : Bureau des sciences énergétiques fondamentales du Département américain de l’énergie, Fondation nationale des sciences des États-Unis.

    Source de l’histoire :

    Matériaux fourni par Université de Chicago. Original écrit par Louise Lerner. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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