理論物理學(xué)的突破是預(yù)測構(gòu)成我們世界的基本物質(zhì)行為的重要一步。它可以用來計(jì)算大量量子粒子的系統(tǒng)，這在以前被認(rèn)為是不可能的。

哥本哈根大學(xué)的這項(xiàng)新研究可能對量子計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)非常重要，甚至可能成為在室溫下工作的超導(dǎo)體的地圖。這篇論文發(fā)表在《物理評論X》雜志上。

在理論物理學(xué)的邊緣，別里斯拉夫·布卡(Berislav Buca)用“奇異的”數(shù)學(xué)來研究幾乎不可能的事情。他最新的理論也不例外。通過計(jì)算具有大量量子粒子的系統(tǒng)的動力學(xué)，即運(yùn)動和相互作用，它已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)中被忽略的一些東西。把不可能變成可能。

布卡的研究插圖中意外出現(xiàn)了一只白貓。貓Pulci是他引人注目的繆斯女神。穿過貓身體的箭頭說明了頑皮的貓運(yùn)動的量子力學(xué)起源——這正是布卡試圖通過計(jì)算最小粒子的動力學(xué)來理解的關(guān)系。

這一突破重新激發(fā)了一個古老而基礎(chǔ)的科學(xué)問題:從理論上講，如果宇宙中的所有行為都可以通過物理定律來計(jì)算，那么我們是否可以通過計(jì)算最小粒子來預(yù)測一切?

“許多物理學(xué)科最終都是通過理解物理定律和計(jì)算最小粒子的行為來解釋和預(yù)測世界。哥本哈根大學(xué)尼爾斯玻爾研究所的布卡說:“原則上，如果我們有能力，我們將能夠回答任何可能的關(guān)于各種事物如何行為的問題?！?/p>

“原則上，宇宙中一切事物的行為都可以通過控制粒子動力學(xué)的微觀定律來理解，”他說，同時迅速呼吁謹(jǐn)慎。

“我當(dāng)然不能那樣做，”這位理論家說。

理論上的捷徑避免了細(xì)節(jié)上的麻煩

研究人員解釋說，量子粒子在它們的系統(tǒng)中的相互作用和運(yùn)動是如此復(fù)雜，以至于即使是當(dāng)今世界上最強(qiáng)大的超級計(jì)算機(jī)，一次也只能對十幾個這樣的粒子進(jìn)行計(jì)算。

與此同時，一個原子至少由兩個量子粒子組成，一粒沙子由大約500億乘以10億個原子組成——更不用說一只貓或其他人們想要了解的宇宙中的任何東西了。

“所以在實(shí)踐中，這是不可能的。目前還沒有。然而，我的理論是朝著正確方向邁出的重要一步。這是因?yàn)樗捎昧艘环N數(shù)學(xué)捷徑來理解整體的動力學(xué)，而不會在具有許多量子粒子的廣泛系統(tǒng)的細(xì)節(jié)中失去計(jì)算能力。也就是說，不需要計(jì)算系統(tǒng)中所有的單個粒子，”Buca解釋說。

該理論為理論物理學(xué)中一個長期存在的假設(shè)提供了第一個數(shù)學(xué)證明，因此已經(jīng)聲名鵲起。

到目前為止，所謂的特征態(tài)-熱化假說在物理學(xué)中只是一種假設(shè)——一種有根據(jù)的猜測，尚未得到數(shù)學(xué)上的解釋。它涉及數(shù)學(xué)描述量子系統(tǒng)整體運(yùn)動的能力。

因此，布卡的理論已經(jīng)證明了它作為基礎(chǔ)理論研究的價值，完成了理論家長期以來認(rèn)為不可能完成的事情。雖然這些結(jié)果目前主要引起了物理學(xué)家們的興趣，但其結(jié)果最終可能對我們所有人都有好處。

量子力學(xué)寶藏地圖的指南針

這些知識可能最終為尋找具有如此獨(dú)特性質(zhì)的量子材料指明了道路，它們可以改變我們的世界。

這些量子材料是把我們的爪子伸向一些最偉大的科學(xué)“叢林中的鳥”的先決條件——比如穩(wěn)定的量子計(jì)算機(jī)，甚至是在室溫下工作的超導(dǎo)體。

“我們正在為量子計(jì)算機(jī)尋找一種能夠承受熵的材料，熵是一種導(dǎo)致復(fù)雜系統(tǒng)的自然法則。比如物質(zhì)——衰變成不那么復(fù)雜的形式。熵破壞了量子計(jì)算機(jī)穩(wěn)定和保持工作所需的相干性，”布卡解釋說。

最初啟發(fā)他并使他的研究突破成為可能的奇異數(shù)學(xué)系統(tǒng)，可能正是量子計(jì)算機(jī)真正有用所需要的。

量子計(jì)算機(jī)理論上使用的所謂量子位必須處于疊加狀態(tài)才能發(fā)揮作用，這意味著它們可以同時打開和關(guān)閉。這就要求它們處于穩(wěn)定的量子態(tài)。然而，熱力學(xué)并不喜歡當(dāng)前材料所要求的結(jié)構(gòu)。布卡說:“我的理論也許能告訴我們，這些奇異的系統(tǒng)是否可以成為一種構(gòu)建事物的方式，從而使這種量子態(tài)更加持久?！?/p>

這種方法有點(diǎn)像一張路線圖，通過預(yù)測這些材料在實(shí)驗(yàn)條件下的表現(xiàn)，可以指導(dǎo)研究人員穿越可能的材料的廣闊景觀。這第一次為研究人員提供了一種尋找具有特殊性質(zhì)的量子材料的方法。

“到目前為止，對這些材料的尋找一直是偶然的。但我的研究結(jié)果可以第一次為尋找材料的獨(dú)特特性提供指導(dǎo)原則，”Buca說。