多体量子动力学的计算速度提高10000倍-量子客
(来源:https://iopscience.iop.org/)

 

一个电子在原子中的行为,或者它在固体中的运动,可以用量子力学方程式精确地预测出来,即这些理论计算与实验结果一致。但是,目前尚不能精确描述包含许多电子或基本粒子的复杂量子系统。现在,一个由凯尔大学理论物理和天体物理研究所的Michael Bonitz 教授领导的一个团队(CAU)已经开发出一种仿真方法G1-G2,该方法可以使基于量子力学的计算速度比以前快大约10,000倍,而且这种新的模拟方法还可应用于量子多体理论的许多领域该成果发表在《物理评论快报》上。

 

即使使用功能强大的计算机,量子模拟也需要花费很长时间

CAU研究人员的新程序是基于当前最强大、用途最广泛的量子力学多体系统的仿真技术之一。它使用了所谓的非平衡格林函数方法(nonequilibrium Green functions):即使在很长一段时间内,也可以高精度地描述电子的运动和复杂的相互作用。但是,迄今为止,这种方法非常耗费计算机资源,即如果为了预测量子系统在十倍长的时间内的发展,一台计算机则需要超过一千倍的处理时间。

而通过引入附加的辅助变量的数学技巧,CAU团队的物理学家现在已经成功地重新制定了非平衡格林函数的主要方程,以使计算时间仅随过程持续时间呈线性增加。因此,十倍长的预测时间只需要十倍的计算时间。与以前使用的方法相比,物理学家获得了大约10,000的加速因子。对于更长的过程,这个因素会进一步增加。由于这种新方法首次将两个格林函数结合起来,因此称为“ G1-G2方法”。

 

材料性能在长时间内的发展首次可预测

CAU团队的新计算模型不仅节省了昂贵的计算时间,而且还允许进行模拟,而这在以前是完全不可能的。“我们感到惊讶的是,这种惊人的加速也可以在实际应用中得到证明,” Bonitz教授说。例如,现在可以预测诸如半导体之类的材料中某些特性和效应在一段较长的时间内如何发展。Bonitz坚信:“这种新的模拟方法可应用于量子多体理论的许多领域,并将实现定性的新预测,例如关于原子、分子、致密等离子体和固体在强激光辐射激发后的行为。”

 

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作者 Viky            编辑 Sakura