4. april 2024

”Det handler i sidste ende om at kunne forudsige alt” – teori kan vise vej til forjættede kvantematerialer

Kvantepartikler

Gennembrud i teoretisk fysik er et vigtigt skridt mod at kunne forudsige opførslen af det grundlæggende stof, verden er lavet af. Teorien kan nemlig bruges til at beregne systemer af kvantepartikler, selv når antallet er enormt, hvilket ellers burde være umuligt. Forskningen fra Københavns Universitet kan få stor betydning for fremtidens kvantecomputere og måske vise vejen til superledere ved stuetemperatur.

Katten Pulci bruges til at illustrere forskningen
Foto: Vendi Jukic Buca

På yderkanten af den teoretiske fysik undersøger Berislav Buca det næsten umulige med ”eksotisk” matematik. Hans seneste teori er ingen undtagelse. Ved at gøre det muligt at beregne dynamikken - dvs. bevægelser og interaktioner - i systemer med selv enorme antal kvantepartikler, har den vækket noget til live, som ellers var helt afskrevet i fysikken. En umulighed gjort mulig.

En sælsom hvid kat pryder illustrationerne af Bucas forskning. Katten Pulci er hans opmærksomheds-fangende muse. Pile igennem kattens krop illustrerer den kvantemekaniske oprindelse til den legende kats bevægelser - og det er netop det forhold, som Buca forsøger at forstå ved at gøre det muligt at beregne de mindste partiklers dynamik.

Illustrations af kat med pile igennem kroppen
Illustration: Vendi Jukic Buca

 

Gennembruddet har vækket et gammelt og helt grundlæggende videnskabeligt spørgsmål til live: Hvis alt opførsel i universet teoretisk set kan beregnes ud fra fysikkens love, ved at regne på de mindste partikler, kan vi så forudsige alt?  

”Mange discipliner i fysikken handler i sidste ende om, at ville forklare og forudsige verden, ved at forstå fysikkens love og beregne de mindste partiklers opførsel. Sådan ville vi nemlig i princippet kunne besvare ethvert muligt spørgsmål, om hvordan alverdens ting opfører sig, hvis vi var i stand til det,” siger Berislav Buca fra Niels Bohr Institutet og tilføjer:

”Adfærden af ​​alt i universet kan i princippet forstås ud fra de mikroskopiske love, der styrer partiklernes dynamik,” siger han, men skynder sig at mane til besindighed.

”Det kan jeg dog ikke,” lyder det klukkende fra teoretikeren.

En teoretisk genvej undgår djævlen i detaljen

Kvantepartiklernes interaktioner og bevægelser i deres systemer er så komplekse, forklarer forskeren, at selv verdens kraftigste supercomputer kun er i stand til at regne på et dusin af disse partikler ad gangen.

Samtidigt består ét enkelt atom af mindst to kvantepartikler, og ét enkelt sandkorn af omkring 50 milliarder gange en milliard atomer - for slet ikke at tale om én kat eller noget tredje, man kunne ønske forstå i vores univers.

”Så i praksis er det ikke muligt, i dag. Min teori er dog et væsentligt skridt i den rigtige retning, fordi den skyder en slags matematisk genvej til at forstå helheden af en bred klasse af systemer med mange kvantepartikler, uden at regnekraften fortaber sig i detaljerne. Det vil sige, uden at det er nødvendigt at regne på alle de enkelte partikler i systemet,” forklarer Berislav Buca

Teorien har allerede har gjort sig bemærket ved at give det første matematiske bevis for en længe holdt hypotese i teoretisk fysik.

Den såkaldte eigenstate-termiliserings hypotese har hidtil været en antagelse – et kvalificeret gæt - i fysikken, som ikke var forklaret matematisk, og drejer sig netop om matematikkens evne til at beskrive bevægelserne af kvantesystemer som helheder.

Hans teori har dermed allerede demonstreret sin værdi som teoretisk grundforskning, og gjort hvad teoretikere længe havde troet umuligt. Men hvor resultaterne lige nu mest interesserer fysikkens kloge hoveder, så kan konsekvenserne blive store for os alle.

Et kompas til det kvantemekaniske skattekort

Den viden kan ende med at vise vejen til kvantematerialer med så unikke egenskaber, at de potentielt kan ændre vores verden.

Disse kvantematerialer er en forudsætning for at få kløerne i nogle af de allerstørste videnskabelige ”fugle på taget,” – fx stabile kvantecomputere eller sågar superledere, der fungerer ved stuetemperatur.

”Der ledes efter et materiale til kvantecomputere, som kan modstå entropien – en naturlov, der gør, at komplekse systemer (fx materialer) forfalder til mindre komplekse former. Entropien dræber nemlig den sammenhængskraft, som er central for at kvantecomputere kan virke,” forklarer Berislav Buca

De eksotiske systemer, som oprindeligt inspirerede Berislav Buca og således gjorde hans forskningsgennembrud muligt, kan faktisk være lige det kvantecomputeren mangler, for virkelig at blive brugbar.

”De såkaldte qubits, som kvantecomputeren teoretisk set fungerer med, skal være i superposition for at fungere, så de populært sagt både er tændt og slukket på en gang. Det kræver, at de stabilt kan være i en kvantetilstand, men termodynamikken bryder sig ikke om de strukturer, det hidtil har krævet af materialerne. Min teori kan muligvis fortælle os, om de her eksotiske systemer kan være en måde at strukturere det på, så det lader sig gøre mere permanent,” siger Berislav Buca.

Metoden fungerer lidt som vejkort, der kan guider forskerne gennem et enormt landskab af mulige materialer, fordi den muliggør forudsigelser af, hvordan disse materialer vil opføre sig under eksperimentelle forhold. Det giver for første gang forskerne en måde at målrette deres søgen efter kvantematerialer med særlige egenskaber.

”Ind til nu har søgen efter disse materialer været styret af tilfældigheder, men mine resultater kan for første gang give et styrende princip at navigere ud fra, når man søger efter særlige egenskaber i de her materialer, siger Berislav Buca.

 


Om studiet

 

Om studiet:

Berislav Buca er eneforfatter til forskningsartiklen, som blev offentliggjort i det respekterede tidsskrift Physical Review X. Ud over sit virke på Københavns Universitet, er Buca tilknyttet Oxford Universitet i England.

Forskningen er finansieret af et Young Investigator Grant fra Villumfonden.

Kontakt

Berislav Buca
Adjunkt

Niels Bohr Institutet
Københavns Universitet 

berislav.buca@nbi.ku.dk

 

Kristian Bjørn-Hansen
Journalist og pressekontakt

Det Natur- og Biovidenskabelige Fakultet
Københavns Universitet

kbh@science.ku.dk
93 51 60 02

Emner

Se også: