“这最终是关于预测一切”——理论可能是寻找量子材料的地图

图片来源：Vendi Jukic Buca

理论物理学的突破是预测构建我们世界的基本物质行为的重要一步。它可以用来计算大量量子粒子的系统，这是以前认为不可能完成的壮举。

哥本哈根大学的新研究可能被证明对量子计算机的设计非常重要，甚至可能成为在室温下工作的超导体的地图。该论文发表在《物理评论X》杂志上。

在理论物理学的边缘，贝里斯拉夫·布卡（Berislav Buca）通过“异国情调”的数学研究了几乎不可能的事情。他的最新理论也不例外。通过计算具有大量量子粒子的系统的动力学，即运动和相互作用成为可能，它提供了物理学中已经注销的东西。不可能成为可能。

一只白猫的意外出现装饰了布卡研究的插图。猫 Pulci 是他引人注目的缪斯女神。穿过猫身体的箭头说明了顽皮的猫运动的量子力学起源——这正是布卡试图通过计算最小粒子的动力学来理解的关系。

这一突破重新激发了一个古老而基本的科学问题：从理论上讲，如果宇宙中的所有行为都可以通过物理定律来计算，那么我们可以通过计算最小的粒子来预测一切吗？

“许多物理学科最终都是通过理解物理定律和计算最小粒子的行为来解释和预测世界。原则上，如果我们能够回答任何关于各种事物如何表现的问题，“哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所的布卡说。

“原则上，宇宙中一切事物的行为都可以从控制粒子动力学的微观定律中理解，”他说，同时迅速呼吁谨慎行事。

“我当然不能那样做，”理论家说。

理论上的捷径避免了细节中的魔鬼

研究人员解释说，量子粒子在其系统中的相互作用和运动是如此复杂，以至于即使是当今世界上最强大的超级计算机也只能同时对十几个粒子进行计算。

同时，一个原子由至少两个量子粒子和一粒大约500亿乘以10亿个原子的沙粒组成，更不用说一只猫或我们宇宙中任何人们想要了解的东西了。

图片来源：Vendi Jukic Buca

“所以在实践中，这是不可能的。目前没有。然而，我的理论是朝着正确方向迈出的重要一步。这是因为它需要一种数学捷径来理解整体的动力学，而不会在具有许多量子粒子的广泛系统的细节中丢失计算能力。也就是说，不需要计算系统中的所有单个粒子，“Buca解释道。

该理论已经为理论物理学中一个长期存在的假设提供了第一个数学证明而声名鹊起。

到目前为止，所谓的本征态-热化假说一直是物理学中的一个假设——一个有根据的猜测——还没有得到数学解释。它涉及数学将量子系统的运动描述为整体的能力。

因此，布卡的理论已经证明了其作为基础理论研究的价值，并完成了理论家长期以来认为不可能完成的任务。虽然目前这些结果主要引起物理学界聪明人的兴趣，但最终对我们所有人来说，后果可能是巨大的。

量子力学藏宝图的指南针

这些知识最终可能会为寻找具有独特特性的量子材料提供途径，这些材料可以改变我们的世界。

这些量子材料是挖掘一些最伟大的科学“灌木丛中的鸟类”的先决条件，例如稳定的量子计算机，甚至是在室温下工作的超导体。

“我们正在寻找一种能够承受熵的量子计算机材料，熵是一种自然法则，会导致复杂系统（例如材料）衰变成不太复杂的形式。熵破坏了量子计算机稳定和继续工作所需的连贯性，“Buca解释道。

最初启发他并使他的研究突破成为可能的奇特数学系统可能正是量子计算机真正有用所需要的。

“从理论上讲，量子计算机使用的所谓量子比特必须处于叠加状态才能发挥作用，这意味着它们同时打开和关闭 - 用共同的措辞。这要求它们处于稳定的量子态。然而，热力学不喜欢当前材料所需的结构。我的理论可能能够告诉我们这些奇异的系统是否可以成为一种构建事物的方式，因此这种量子态可能更持久，“Buca说。

这种方法有点像路线图，可以通过预测这些材料在实验条件下的行为来指导研究人员穿越广阔的可能材料领域。这是第一次，研究人员有针对性地寻找具有特殊特性的量子材料。

“到目前为止，对这些材料的寻找一直受到偶然的支配。但我的研究结果首次可以提供一个指导原则，以便在寻找材料的独特特性时进行导航，“Buca说。

更多信息：Berislav Buča，局部量子多体动力学的统一理论：特征算子热化定理，《物理评论 X》（2023 年）。DOI： 10.1103/PhysRevX.13.031013

期刊信息： Physical Review X

来自：量子梦