Возможны более быстрые вычисления квантовой динамики многих тел

Возможны более быстрые вычисления квантовой динамики многих тел

Как электрон ведет себя в атоме или как он движется в твердом теле, можно точно предсказать с помощью уравнений квантовой механики. Эти теоретические расчеты полностью согласуются с результатами экспериментов. Но сложные квантовые системы, которые содержат много электронов или элементарных частиц – таких как молекулы, твердые частицы или атомные ядра – в настоящее время не могут быть точно описаны, даже с самыми мощными компьютерами, доступными сегодня. Базовые математические уравнения слишком сложны, а вычислительные требования слишком велики. Команда во главе с профессором Майклом Бонитцем из Института теоретической физики и астрофизики Кильского университета (CAU) в настоящее время преуспела в разработке метода моделирования, который позволяет квантово-механические вычисления примерно в 10000 раз быстрее, чем это было возможно ранее. Они опубликовали свои выводы в текущем выпуске научного журнала Physical Review Letters.

Даже с очень мощными компьютерами квантовое моделирование занимает слишком много времени

Новая процедура исследователей в Киле основана на одном из самых мощных и универсальных методов моделирования для квантово-механических систем многих тел. Он использует метод так называемых неравновесных функций Грина: это позволяет с очень высокой точностью описывать движения и сложные взаимодействия электронов даже в течение длительного периода. Однако на сегодняшний день этот метод очень ресурсоемкий: для того, чтобы предсказать развитие квантовой системы в течение десятикратного периода времени, компьютеру требуется в тысячу раз больше времени обработки.

С математической уловкой введения дополнительной вспомогательной переменной, физики в CAU теперь преуспели в переформулировании основных уравнений неравновесных функций Грина, так что время вычисления только линейно увеличивается с продолжительностью процесса. Таким образом, период прогнозирования, в десять раз больший, требует только в десять раз больше вычислительного времени. По сравнению с ранее использовавшимися методами физики достигли коэффициента ускорения приблизительно 10000. Этот фактор увеличивается в дальнейшем для более длительных процессов. Поскольку новый подход впервые объединяет две функции Грина, он называется «метод G1-G2».

Временное развитие свойств материала предсказуемо впервые

Новая расчетная модель исследовательской группы в Киле не только экономит дорогостоящее вычислительное время, но и позволяет проводить симуляции, которые ранее были абсолютно невозможны. «Мы сами были удивлены, что это резкое ускорение можно продемонстрировать и в практических приложениях», – пояснил Бонитц. Например, теперь можно предсказать, как определенные свойства и эффекты в материалах, таких как полупроводники, развиваются в течение продолжительного периода времени. Бонитц убежден: «Новый метод моделирования применим во многих областях квантовой теории многих тел и позволит качественно новые предсказания, такие как поведение атомов, молекул, плотной плазмы и твердых тел после возбуждения интенсивным лазерным излучением».


Источник истории:

Материалы предоставлены Кильским университетом . Примечание: содержание может быть отредактировано по стилю и длине.


Ссылка на журнал :

  1. Никлас Шлюнцен, Ян-Филипп Йост, Майкл Бонитц. Достижение предела масштабирования для симуляций неравновесных функций Грина . Physical Review Letters , 2929 DOI: 10.1103 / PhysRevLett.124.076601