Изследователите извличат единна топологична граница на скоростта за еволюцията на физическите състояния


Изследователите извличат единна топологична граница на скоростта за еволюцията на физическите състояния

Топологичното ограничение на скоростта показва, че топологичната структура ограничава скоростта на физическите системи, като химически реакции и бозонови системи, взаимодействащи с много тела. Кредит: Vu & Saito

Физическите системи се развиват с определена скорост, която зависи от различни фактори, включително така наречената топологична структура на системата (т.е. пространствени свойства, които се запазват във времето, въпреки всякакви физически промени, които се случват). Съществуващите методи за определяне на скоростта, с която физическите системи се променят във времето обаче, не отчитат тези структурни свойства.

Двама изследователи от университета Кейо в Япония наскоро са извели ограничение на скоростта за еволюцията на физическите състояния, което също отчита топологичната структура на една система и нейната основна динамика. Това ограничение на скоростта, описано в документ, публикуван в Писма за физически прегледможе да има множество ценни приложения за изучаване и разработване на различни физически системивключително квантовите технологии.

„Определянето колко бързо може да се промени състоянието на системата е централна тема в класическите и квантова механикакоето привлече големия интерес на учените”, казаха пред Phys.org Тан Ван Ву и Кейджи Сайто, изследователите, извършили изследването. „Разбирането на механизма за контролиране на времето е от значение за проектирането на бързи устройства като квантовите компютри.”

Идеята, че има ограничение в работното време, необходимо на системата да премине от едно физическо състояние към друго, беше въведени за първи път преди няколко десетилетия от Леонид Исаакович Манделщам и Игор Там. Оттогава други изследователски екипи проучиха тази идея допълнително, намирайки подобни ограничения, които могат да бъдат приложени към различни типове физически системи.

„Тези ограничения, наречени „ограничения на скоростта“, определят крайните скорости, при които системата може да се развие до разграничимо състояние и са намерили различни приложения“, обясниха Ву и Сайто. „Въпреки това, конвенционален ограничения на скоростта имат недостатъка да не предоставят значими граници с нарастването на размера на системата. Едно от обясненията е, че топологичната природа на динамиката, която произтича от мрежовата структура на основната динамика, не е била правилно взета под внимание.”

Основната цел на неотдавнашната работа на Vu и Saito беше да се създаде ново ограничение на скоростта, което също така отчита топологичната структура на физическата система и нейната основна динамика. Това в крайна сметка би могло да помогне да се определят количествени строги граници, потенциално разкривайки физическия механизъм, който е в основата на трансформациите от едно състояние в друго. Трябва да се отбележи, че това не може да се постигне с помощта на никоя от методологиите за ограничаване на скоростта, въведени досега.

„Нашата идея е да използваме обобщена версия на дискретното разстояние на Васерщайн, за да определим количествено разстоянието между държавите“, казаха Ву и Сайто. „Разстоянието на Васерщайн произлиза от идеята за количествено определяне на това колко и на какво разстояние трябва да се пренесе купчина стоки, за да се създаде друга бучка стоки от една буца. Това разстояние, широко използвано в теорията за оптимален транспорт, кодира топологична информация и може да нараства пропорционално на размера на системата.”

За да изведат унифицираното топологично ограничение на скоростта, Vu и Saito картографират времето на еволюцията на физическите състояния към оптималния транспортен проблем, използвайки свойствата на оптималното транспортно разстояние. Като част от своето изследване те също демонстрираха валидността на техния подход, като го приложиха към мрежи от химични реакции и взаимодействащи квантови системи с много тела.

„По наше мнение най-забележителното откритие на нашето изследване е откриването на топологичното ограничение на скоростта, което дава точни прогнози за времената на работа и може да се приложи към широк диапазон от динамика“, казаха Ву и Сайто.

Новото топологично ограничение на скоростта, въведено от този екип от изследователи, може в крайна сметка да се приложи към изследвания в различни области на физиката, потенциално подобрявайки текущото разбиране на различни системи, в някои случаи улеснявайки използването им за разработването на нови технологии. Например, той позволява създаването на формула за скорост за химична реакциякакто и определяне на универсални ограничения върху скоростта на бозонов транспорт и комуникация чрез спинови системи.

„В бъдеще планираме да проучим допълнителни приложения на полученото топологично ограничение на скоростта от различни посоки“, добавиха Ву и Сайто. „Използването на скорост ограничението за по-добро разбиране на основните механизми на физическите явления, като термализацията на затворени и отворени системи, е обещаващ подход.”

Повече информация:
Tan Van Vu et al, Topological Speed ​​Limit, Писма за физически преглед (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.010402

L. Mandelstam et al, Връзката на несигурността между енергията и времето в нерелативистичната квантова механика, Избрани документи (2011). DOI: 10.1007/978-3-642-74626-0_8

© 2023 Science X Network

Цитат: Изследователите извличат унифицирано топологично ограничение на скоростта за еволюцията на физическите състояния (2023 г., 24 януари), извлечено на 25 януари 2023 г. от https://phys.org/news/2023-01-derive-topological-limit-evolution-physical.html

Този документ е обект на авторско право. Освен всяко честно отношение за целите на частно проучване или изследване, никоя част не може да бъде възпроизвеждана без писмено разрешение. Съдържанието се предоставя само за информационни цели.