Сверхбыстрое квантовое моделирование: новый поворот к старому подходу

K_O_S | 28 ноября, 2019 | Физика | Комментариев нет

Миллиарды крошечных взаимодействий происходят между тысячами частиц в каждом куске вещества в мгновение ока. Моделирование этих взаимодействий в их полной динамике, как говорили, было неуловимым, но теперь стало возможным.

Тем самым они проложили путь к новому пониманию сложных взаимных взаимодействий между частицами в экстремальных средах, таких как сердце больших планет или лазерный ядерный синтез.

Исследователи из Университета Уорика и Оксфордского университета разработали новый способ моделирования квантовых систем многих частиц, который позволяет исследовать динамические свойства квантовых систем, полностью связанных с медленно движущимися ионами.

По сути, они сделали моделирование квантовых электронов настолько быстрым, что они могли работать очень долго без ограничений, и влияние их движения на движение медленных ионов было бы заметно.

Как сообщается в журнале Science Advances , он основан на давно известной альтернативной формулировке квантовой механики (динамика Бома), которую ученые теперь уполномочили изучать динамику больших квантовых систем.

Многие квантовые явления были изучены для одной или нескольких взаимодействующих частиц, поскольку большие сложные квантовые системы превосходят теоретические и вычислительные возможности ученых в области предсказаний. Это осложняется огромной разницей во времени, на которую воздействуют различные виды частиц: ионы развиваются в тысячи раз медленнее, чем электроны, из-за их большей массы. Чтобы преодолеть эту проблему, большинство методов включают в себя разделение электронов и ионов и игнорирование динамики их взаимодействия — но это серьезно ограничивает наши знания о квантовой динамике.

Чтобы разработать метод, позволяющий ученым учитывать полные электрон-ионные взаимодействия, исследователи возродили старую альтернативную формулировку квантовой механики, разработанную Дэвидом Бомом. В квантовой механике нужно знать волновую функцию частицы. Оказывается, что описать его средней траекторией и фазой, как это сделал Бом, очень выгодно. Однако потребовался дополнительный набор приближений и множество тестов, чтобы ускорить вычисления настолько драматично, насколько это необходимо. Действительно, новые методы продемонстрировали увеличение скорости более чем в 10 000 раз (на четыре порядка), но все еще согласуются с предыдущими расчетами статических свойств квантовых систем.

Затем новый подход был применен к моделированию теплой плотной материи, состояния между твердым телом и горячей плазмой, которая известна своей неотъемлемой связью всех типов частиц и необходимостью квантового описания. В таких системах и электроны, и ионы могут иметь возбуждения в форме волн, и обе волны будут влиять друг на друга. Здесь новый подход может показать свою силу и определить влияние квантовых электронов на волны классических ионов, в то время как статические свойства, как было доказано, согласуются с предыдущими данными.

Квантовые системы многих тел являются ядром многих научных проблем, начиная от сложной биохимии в наших телах и заканчивая поведением вещества внутри больших планет или даже такими технологическими проблемами, как высокотемпературная сверхпроводимость или энергия синтеза, что демонстрирует возможный диапазон применения новый подход.

Профессор Джанлука Грегори (Оксфорд), который возглавлял исследование, сказал: «Квантовая механика Бома часто подвергается скептицизму и противоречиям. Однако в своей первоначальной формулировке это просто другая переформулировка квантовой механики. Преимущество использования этого формализма заключается в том, что различные аппроксимации становятся проще в реализации, и это может увеличить скорость и точность моделирования с участием систем многих тел «.

Доктор Дирк Герике из Университета Уорика, который помогал в разработке нового компьютерного кода, сказал: «С этим огромным увеличением численной эффективности теперь можно проследить полную динамику полностью взаимодействующих электрон-ионных систем. Этот новый подход таким образом, открываются новые классы проблем для эффективных решений, в частности, где либо система развивается, либо где квантовая динамика электронов оказывает существенное влияние на более тяжелые ионы или всю систему.

«Этот новый числовой инструмент будет большим преимуществом при разработке и интерпретации экспериментов на теплой плотной материи. Из его результатов, особенно в сочетании с назначенными экспериментами, мы можем многое узнать о веществе на больших планетах и для исследования лазерного синтеза. Однако я верю, что его истинная сила заключается в его универсальности и возможных применениях в квантовой химии или твердотельных телах ».

Источник истории:

Материалы предоставлены Университетом Уорика . Примечание: содержимое может быть отредактировано по стилю и длине.

Ссылка на журнал :

Б. Лардер, Д. О. Герике, С. Ричардсон, П. Мабей, Т. Г. Уайт, Г. Грегори. Быстрая неадиабатическая динамика квантовых систем многих тел . Достижения науки , 2019; 5 (11): eaaw1634 DOI: 10.1126 / sciadv.aaw1634