Физици са разработили нов метод за симулиране на квантовото вплитане между взаимодействащи си частици, временно допълвайки реалността, за да разгадаят кода на квантовите системи.

Изчисляването на колективното поведение на електроните на молекулите е необходимо, за да се предскажат свойствата на даден материал. Такива прогнози биха могли един ден да помогнат на учените да създадат нови лекарства или да създадат материали с желани качества като свръхпроводимост.

Проблемът е, че електроните могат да станат "квантовомеханично" вплетени един в друг, което означава, че те вече не могат да бъдат разглеждани поотделно. За всяка система с повече от няколко частици вплетената мрежа от връзки става извънредно трудна за директно разгадаване дори от най-мощните компютри.

Сега квантовите физици от Федералната политехническа школа в Лозана (EPFL) в Швейцария и Центъра за изчислителна квантова физика (CCQ) към Института "Флатирон" в Ню Йорк са намерили начин за заобикаляне на проблема. Чрез добавяне на допълнителни "призрачни" електрони в изчисленията си, които взаимодействат с реалните електрони на системата, те са успели да симулират вплитане.

_{Възпроизвеждане на квантово вплитане. Инфографика, описваща процеса. Кредит: Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation, превод НаукаOFFNews}

При новия подход поведението на добавените електрони се контролира от техника за изкуствен интелект, наречена невронна мрежа. Мрежата прави корекции, докато намери точно решение, което може да се проектира обратно в реалния свят, като по този начин пресъздава ефектите на вплитането без съпътстващите изчислителни пречки.

Работата на учените е публикувана наскоро в списание Proceedings of the National Academy of Sciences.

"Можете да третирате електроните така, сякаш те не комуникират помежду си, сякаш не си взаимодействат", обяснява водещият автор на изследването Хавиер Робледо Морено (Javier Robledo Moreno), аспирант в CCQ и в Нюйоркския университет. " Добавените от нас допълнителни частици опосредстват взаимодействията между реалните частици, които съществуват в реалната физическа система, която се опитваме да опишем."

В новата статия физиците демонстрират, че техният подход съвпада или превъзхожда конкурентните методи за прости квантови системи.

"Приложихме го към прости неща като тестова установка, но сега преминаваме към следващата стъпка и го изпробваме върху молекули и други, по-реалистични проблеми", споделя съавторът на изследването и директор на CCQ Антоан Жорж (Antoine Georges). "Това е голям проблем, защото ако има добър начин за получаване на вълновите функции на сложни молекули, може да се правят най-различни неща, като например проектиране на лекарства и материали със специфични свойства."

Дългосрочната цел, заявява Жорж, е да се даде възможност на изследователите да предсказват изчислително свойствата на даден материал или молекула, без да се налага да ги синтезират и тестват в лаборатория. Може например да могат да тестват множество различни молекули за желано фармацевтично свойство само с няколко кликвания на мишката. "Симулирането на големи молекули е важно", смята Джордж.

Робледо Морено и Жорж са съавтори на статията заедно с доцента по физика от EPFL Джузепе Карлео (Giuseppe Carleo) и научния сътрудник от CCQ Джеймс Стоукс (James Stokes).

Новата работа е продължение на статия от 2017 г. в Science на Карлео и Матиас Тройер, който в момента е технически сътрудник в Microsoft. Тази статия също комбинира невронни мрежи с фиктивни частици, но добавените частици не са били пълноценни електрони, а са притежавали само едно свойство - спин.

"Когато бях [в CCQ] в Ню Йорк, бях обсебен от идеята да намеря версия на невронна мрежа, която да описва начина, по който се държат електроните, и наистина исках да намеря обобщение на подхода, който представихме през 2017 г.", разказва Карлео. "С тази нова работа в крайна сметка намерихме елегантен начин да имаме " скрити" частици, които не са спинове, а електрони."

Справка: “Fermionic wave functions from neural-network constrained hidden states” by Javier Robledo Moreno, Giuseppe Carleo, Antoine Georges and James Stokes, 3 August 2022, Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2122059119

Източник: Scientists Augment Reality To Crack the Code of Quantum Systems
Simons Foundation

Още по темата

04/10/2022

Физика

Как вплитането на частиците откри нова ера в квантовите технологии

04/10/2022

Физика

Нобеловата награда за физика 2022 е за пионерни изследвания в квантовата механика (видео)

16/09/2022

Физика

Ултратънка метаповърхност произвежда мрежа от квантово вплетени фотони

08/09/2022

Физика

Квантово вплитане на много атоми е наблюдавано за първи път