Las leyes universales que gobiernan la dinámica de las partículas cuánticas que interactúan aún no se han revelado completamente a la comunidad científica. Un equipo de investigadores del Centro de Física Teórica de Sistemas Complejos (PCS), dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS en Daejeon, Corea del Sur) han propuesto utilizar una caja de herramientas innovadora que les permita obtener datos de simulación equivalentes a 60 años de tiempo experimental. Al extender los horizontes computacionales de un día a escalas de tiempo sin precedentes, los investigadores del IBS pudieron confirmar que una nube de partículas cuánticas continúa extendiéndose incluso cuando hay interacciones de partícula a partícula, originalmente considerado como el activador de la propagación, ejercen casi ninguna fuerza. Sus hallazgos se publicaron en línea el 30 de enero de 2019 en Cartas de revisión física .

La obra trata dos de los fenómenos más fundamentales de la materia condensada:la interacción y el desorden. Piense en los gases atómicos ultrafríos. Un átomo del gas es una partícula cuántica, y por lo tanto también una onda cuántica, que tiene tanto amplitud como fase. Cuando tales partículas cuánticas, es decir, las ondas no se propagan en un medio desordenado, quedan atrapados y se detienen por completo. Esta interferencia destructiva de la propagación de ondas es la localización de Anderson.

Partículas microscópicas, descrito por la mecánica cuántica, interactuar cuando se acercan. La presencia de interacción, al menos inicialmente, destruye la localización en una nube de partículas cuánticas, y permite que la nube se escape y se corra, aunque muy lenta y subdifusivamente. Cuando los átomos interactúan (chocan), no solo intercambian energía e impulso, pero cambia también sus fases. La interacción destruye los patrones de ondas regulares, conduciendo a la pérdida de la información de fase. A medida que pasa el tiempo, la nube se extiende y se adelgaza.

Los debates candentes durante la última década se dedicaron a la cuestión de si el proceso se detendrá porque la fuerza efectiva de la interacción se vuelve demasiado baja, o no. Se han realizado experimentos con condensados ​​de Bose-Einstein de átomos de potasio ultrafríos durante hasta 10 segundos mientras los investigadores se esfuerzan por mantener estable el gas atómico. Se realizaron cálculos numéricos durante el equivalente a un día. ¡La física computacional sorprendentemente teórica ya se encontraba en una situación única para ser muy superior a los experimentos!

El equipo de investigadores del SII, dirigido por Sergej Flach, decidió darle a la dinámica de las nubes una nueva prueba numérica dura y extender los horizontes computacionales de un día a 60 años en tiempo experimental equivalente. El principal desafío es la lentitud del proceso:hay que simular la dinámica de la nube durante mucho tiempo para ver cambios significativos. El nuevo objetivo era ampliar drásticamente los registros anteriores, por un factor de al menos diez mil, y desarrollar simultáneamente un nuevo enfoque para simulaciones rápidas de modelos físicos computacionalmente duros.

El equipo de investigación observó nubes subdifusivas que se extendían hasta las escalas de tiempo récord investigadas. La clave del éxito fue el uso de las llamadas caminatas cuánticas en tiempo discreto, plataformas teóricas y experimentales para cálculos cuánticos. Su característica única es que el tiempo no fluye continuamente, pero aumenta abruptamente, convirtiéndose en uno de los principales factores de aceleración. Se utilizaron varias herramientas técnicas adicionales para realizar los nuevos tiempos récord:enormes poderes de supercomputación de IBS, optimización del programa, y el uso de grupos de unidades de procesamiento gráfico (GPU).

Los resultados del equipo plantean nuevas y complicadas preguntas sobre la comprensión de la interacción de la interacción y el desorden. Los investigadores de IBS-PCS continúan trabajando en diferentes aspectos del problema, utilizando herramientas que incluyen Discrete Time Quantum Walks. "Actualmente estamos empleando la misma técnica para resolver varios otros problemas de larga data que requieren nuevos enfoques y poderes computacionales", dice Ihor Vakulchyk — Ph.D. estudiante del equipo de investigación. La caja de herramientas propuesta abre posibilidades aparentemente ilimitadas para el campo novedoso del modelado cuántico y la optimización de modelos informáticos en física.