Os organizadores convidaram três Pré-qualitas para apresentar palestras em homenagem a John: Hoi Kwong Loque ajudou a orientar a criptografia e as comunicações quânticas; Daniel Gottesmanque ajudou a estabelecer as bases da correção quântica de erros; e eu. Acredito que uma das maneiras mais adequadas de homenagear John é compartilhar a física mais emocionante que você conhece. Compartilhei sobre termodinâmica quântica para (modelos simples de) física nuclear, junto com dez lições que aprendi com John. Você pode assistir a palestra aqui e confira o papelpublicado recentemente em Cartas de revisão físicapara detalhes técnicos.
John ilustrou esta lição lutando com o paradoxo da informação do buraco negro, inclusive ao lado de Stephen Hawking. A teoria da informação quântica tem termodinâmica quântica informadacomo Fronteiras Quânticas os frequentadores sabem. A termodinâmica quântica é o estudo do trabalho (energia coordenada que podemos aproveitar diretamente) e do calor (a energia do movimento aleatório). Os sistemas trocam calor com reservatórios de calor—grandes sistemas de temperatura fixa. Enquanto escrevo esta postagem no weblog, por exemplo, estou irradiando calor para o ar gelado do Aeroporto Trudeau de Montreal.
Chega de informações quânticas. Que tal física de alta energia? Incluirei a física nuclear nesta categoria, como fazem muitos dos meus colegas europeus. Grande parte da física nuclear e da matéria condensada envolve teorias de calibre. UM teoria de calibre é um modelo que contém mais graus de liberdade do que a física que descreve. Da mesma forma, a descrição da Torre CN feita por um amigo pode durar o dobro do tempo necessário, devido a redundâncias. A eletrodinâmica – a teoria por trás das lâmpadas – é uma teoria de calibre. O mesmo acontece com a cromodinâmica quântica, a teoria da força forte que mantém unidos os constituintes de um núcleo.
Toda teoria de calibre obedece à lei de Gauss. Lei de Gauss inter-relaciona o assunto em um native com o campo de medição ao redor do native. Por exemplo, think about uma carga elétrica positiva no espaço vazio. Um campo elétrico – um campo de medida – aponta para longe da carga em todos os pontos do espaço. Think about uma esfera que envolve a carga. Quanto do campo elétrico está saindo da esfera? A resposta depende da quantidade de carga interna, de acordo com a lei de Gauss.
A lei de Gauss inter-relaciona a matéria num native com o campo de medição próximo…que está relacionado com a matéria no native próximo web site…que está relacionado ao campo de medição mais distante. Então tudo depende de todo o resto. Portanto, não podemos reivindicar isso facilmente aqui são graus de liberdade independentes que formam um sistema de interesses, enquanto lá são graus de liberdade independentes que formam um reservatório de calor. Então, como podemos definir o calor e o trabalho trocados dentro de uma teoria de calibre em rede? Se não conseguirmos, deveríamos começar a roer as unhas: a termodinâmica é a rainha das teorias físicas, uma metateoria que deverá governar todas as outras teorias. Mas como podemos definir a termodinâmica quântica das teorias de calibre em rede? Meu colega Zohreh Davoudi e o grupo dela me fez esta pergunta.
Tive o prazer de abordar a questão com cinco habitantes atuais e recentes de Maryland…
…a menção de quem convidou na minha palestra do CQIQC…
Eu sou um millennial; a mídia social decolou com a minha geração. Mas gosto de dizer que meu orientador de doutorado goza de muito mais popularidade nas redes sociais do que eu.
Como começamos a estabelecer uma termodinâmica quântica para teorias de calibre em rede?
Alguém que teve uma ideia melhor do que eu, quando embarquei neste projeto, foi meu colega Chris Jarzynski. O mesmo aconteceu Dvira Segalquímico da Universidade de Toronto e diretor do CQIQC. O mesmo aconteceu com todos os outros que ajudaram a desenvolver o equipment de ferramentas de termodinâmica de acoplamento forte. Eu só tinha ouvido falar do equipment de ferramentas, mas achei que parecia útil para teorias de calibre em rede, então convidei Chris para minhas conversas com o grupo de Zohreh.
Não criei esta imagem para a minha palestra, acredite ou não. A imagem já existia na Web, cortesia de este weblog.
A termodinâmica de acoplamento forte diz respeito a sistemas que interagem fortemente com reservatórios. As interações sistema-reservatório são fracas, ou codificam pouca energia, em grande parte da termodinâmica. Por exemplo, troco pouca energia com o ar de Montreal Trudeau, em relação à quantidade de energia dentro de mim. A razão é que troco energia apenas através da minha pele. Minha pele forma uma pequena fração de mim porque forma minha superfície. Minha superfície é muito menor que meu quantity, o que é proporcional à energia dentro de mim. Então eu associo fracamente ao ar de Montreal Trudeau.
Minha superfície seria comparável ao meu quantity se eu fosse extremamente pequeno – digamos, uma partícula quântica. Minha interação com o ar codificaria muita energia – uma quantidade comparável à quantidade dentro de mim. Deveríamos contar essa energia de interação como parte da minha energia ou como parte da energia do ar? Poderíamos até dizer que eu existia e tinha uma forma bem definida, independentemente dessa energia de interação? A termodinâmica de acoplamento forte fornece uma estrutura para responder a essas questões.
Kevin Kuns, ex- Fronteiras Quânticas blogueiro, descrito como John explica a física através de conceitos simples, como uma bola presa a uma mola. A voz suave e suave de John lembra a de um encantador de cobras, escreveu Kevin. John encanta seus ouvintes para que retornem aos livros e aprimorem a física básica.
Pouca coisa é mais básica do que a primeira lei da termodinâmica, sinopizada como conservação de energia. A primeira lei rege o quanto a energia interna de um sistema muda durante qualquer processo. A variação de energia é igual ao calor absorvido, mais o trabalho absorvido, pelo sistema. Toda formulação da termodinâmica deve obedecer à primeira lei – incluindo a termodinâmica do acoplamento forte.
Quais processos da teoria de retículo-gauge devemos estudar, armados com o equipment de ferramentas da termodinâmica do acoplamento forte? Meus colaboradores e eu seguimos implicitamente
e
Não queremos irritar os experimentalistas pedindo-lhes que executem protocolos difíceis. Tom Rosenbaum, à esquerda da fotografia anterior, é um experimentalista quântico. Ele também é o presidente da Caltech, então John tem vários motivos para não querer irritá-lo.
Experimentistas quânticos correram protocolos de extinção em muitos simuladores quânticos ou computadores quânticos para fins especiais. Durante um protocolo de extinção, um recurso do sistema é alterado rapidamente. Por exemplo, muitos sistemas quânticos consistem em partículas saltando por uma paisagem de colinas e vales. Alguém pode achatar uma colina durante uma têmpera.
Nós nos concentramos em um protocolo de extinção de três etapas: (1) Configure o sistema em seu cenário inicial. (2) Mudar rapidamente a paisagem dentro de uma pequena região. (3) Deixe o sistema evoluir sob sua dinâmica pure por muito tempo. A etapa 2 deve custar trabalho. Como podemos definir a quantidade de trabalho realizado? Seguindo
João escreveu um postagem no weblog sobre como o físico típico é um pônei de um truque: eles conhecem profundamente um assunto restrito. John prefere saber dois assuntos. Ele pode aplicar insights de um campo a outro. Um pônei de dois truques pode mostrar que a lei de Gauss se comporta como uma interação forte – que as teorias de calibre em rede são sistemas termodinâmicos fortemente acoplados. Usando a termodinâmica de acoplamento forte, o pônei de dois truques pode definir o trabalho (e o calor) trocados dentro de uma teoria de calibre de rede.
Um experimentalista pode facilmente medir a quantidade de trabalho realizado,1 esperamos, por duas razões. Primeiro, o experimentalista precisa medir apenas a pequena região onde a paisagem mudou. Medir todo o sistema seria complicado, porque é muito grande e pode conter muitas partículas. Mas um experimentalista pode controlar a pequena região. Em segundo lugar, provamos uma equação que deveria facilitar medições experimentais. A equação inter-relaciona o trabalho realizado1 com uma quantidade que parece experimentalmente acessível.
Minha equipe aplicou nossa definição de trabalho a uma teoria de calibre de rede em uma dimensão espacial – uma teoria restrita a viver em uma linha, como uma lagarta em uma corda fina. Você pode pensar no assunto como qubits2 e o campo de calibre como mais qubits. O sistema parece idêntico se você o virar de cabeça para baixo; isto é, a teoria tem uma simetria. O sistema tem duas fases, análogas às fases líquida e gelada do HO. A fase que o sistema ocupa depende do potencial químico – a quantidade média de energia necessária para adicionar uma partícula ao sistema (enquanto a entropia do sistema, seu quantity e muito mais permanecem constantes).
Meu coautor Connor simulou o sistema numericamente, calculando seu comportamento em um computador clássico. Durante o processo de têmpera simulado, o sistema começou em uma fase (como HÓ começando como água). A têmpera direcionou o sistema dentro da fase (como se estivesse alterando a temperatura da água) ou através da transição de fase (como se estivesse congelando a água). Connor calculou o trabalho realizado durante a extinção.1 A quantidade de trabalho mudou drasticamente quando a têmpera começou a orientar o sistema durante a transição de fase.
Não só poderíamos definir o trabalho trocado dentro de uma teoria de calibre de rede, usando a termodinâmica quântica de acoplamento forte. Além disso, esse trabalho sinalizou uma transição de fase – um comportamento qualitativo em grande escala.
Que futuro eu e meus colaboradores sonhamos para o nosso trabalho? Primeiro, queremos que um experimentalista meça o trabalho1 gasto em um sistema de teoria de treliça em uma simulação quântica. Em segundo lugar, deveríamos expandir as nossas definições de trabalho quântico e calor para além dos processos de extinção súbita. Quanto trabalho e calor as partículas trocam durante a dispersão em aceleradores de partículas, por exemplo? Terceiro, esperamos identificar outras transições de fase e fenômenos macroscópicos usando nosso trabalho e definições de calor. Em quarto lugar – de forma mais ampla – queremos estabelecer uma termodinâmica quântica para teorias de calibre em rede.
Há cinco anos, eu não esperava colaborar em teorias de retículo de calibre inspiradas na física nuclear. Mas este trabalho é um dos mais emocionantes que consigo imaginar. Espero que você também ache isso emocionante. E, mais importante, espero que John tenha achado isso emocionante em Toronto.
Eu period estudante na Caltech durante “Uma noite emaranhada”, a celebração do 100º aniversário de Richard Feynman em todo o campus. Então observei John cantar e dançar no palco, sem demonstrar medo de se envergonhar. Essa observação pareceu uma nota apropriada para encerrar meus slides… e convidar o público a fazer perguntas.
