Ultrahurtige kvantesimuleringer:Et nyt twist til en gammel tilgang

Milliarder af små interaktioner sker mellem tusindvis af partikler i hvert stykke stof på et øjeblik. Simulering af disse interaktioner i deres fulde dynamik blev sagt at være uhåndgribelig, men er nu blevet muliggjort af nyt arbejde fra forskere fra Oxford og Warwick.

Derved, de har banet vejen for ny indsigt i de komplekse gensidige interaktioner mellem partiklerne i ekstreme miljøer som i hjertet af store planeter eller laserkernefusion.

Forskere ved University of Warwick og University of Oxford har udviklet en ny måde at simulere kvantesystemer af mange partikler, der gør det muligt at undersøge de dynamiske egenskaber af kvantesystemer, der er fuldt koblet til langsomt bevægende ioner.

Effektivt, de har lavet simuleringen af ​​kvanteelektronerne så hurtigt, at den kunne køre ekstremt længe uden begrænsninger, og effekten af ​​deres bevægelse på de langsomme ioners bevægelse ville være synlig.

Rapporteret i journalen Videnskabens fremskridt , den er baseret på en længe kendt alternativ formulering af kvantemekanik (Bohm-dynamik), som forskerne nu har bemyndiget til at tillade studiet af dynamikken i store kvantesystemer.

Mange kvantefænomener er blevet undersøgt for enkelte eller blot nogle få interagerende partikler, da store komplekse kvantesystemer overmander videnskabsmænds teoretiske og beregningsmæssige evner til at lave forudsigelser. Dette kompliceres af den store forskel i tidsskala, de forskellige partikelarter virker på:ioner udvikler sig tusindvis af gange langsommere end elektroner på grund af deres større masse. For at overvinde dette problem, de fleste metoder involverer afkobling af elektroner og ioner og ignorering af dynamikken i deres vekselvirkninger - men dette begrænser i høj grad vores viden om kvantedynamik.

At udvikle en metode, der gør det muligt for forskere at redegøre for de fulde elektron-ion-interaktioner, forskerne genoplivede en gammel alternativ formulering af kvantemekanik udviklet af David Bohm. I kvantemekanik, man skal kende en partikels bølgefunktion. Det viser sig, at hvis man beskriver det med den gennemsnitlige bane og en fase, som gjort af Bohm, er meget fordelagtigt. Imidlertid, det krævede en ekstra række tilnærmelser og mange tests for at fremskynde beregningerne så dramatiske som nødvendigt. Ja, de nye metoder viste en stigning i hastigheden med mere end en faktor på 10, 000 (fire størrelsesordener), men er stadig i overensstemmelse med tidligere beregninger for statiske egenskaber af kvantesystemer.

Den nye tilgang blev derefter anvendt til en simulering af varmt tæt stof, en tilstand mellem faste stoffer og varme plasmaer, der er kendt for sin iboende kobling af alle partikeltyper og behovet for en kvantebeskrivelse. I sådanne systemer, både elektronerne og ionerne kan have excitationer i form af bølger og begge bølger vil påvirke hinanden. Her, den nye tilgang kan vise sin styrke og bestemme kvanteelektronernes indflydelse på de klassiske ioners bølger, mens de statiske egenskaber viste sig at stemme overens med tidligere data.

Mange-legeme kvantesystemer er kernen i mange videnskabelige problemer lige fra den komplekse biokemi i vores kroppe til opførsel af stof inde i store planeter eller endda teknologiske udfordringer som højtemperatur superledning eller fusionsenergi, som demonstrerer den mulige række af anvendelser af ny tilgang.

Prof Gianluca Gregori (Oxford), hvem ledede efterforskningen, sagde:"Bohm kvantemekanik er ofte blevet behandlet med skepsis og kontrovers. I sin oprindelige formulering, imidlertid, dette er bare en anderledes omformulering af kvantemekanik. Fordelen ved at anvende denne formalisme er, at forskellige tilnærmelser bliver lettere at implementere, og dette kan øge hastigheden og nøjagtigheden af ​​simuleringer, der involverer mange-kropssystemer."

Dr. Dirk Gericke fra University of Warwick, der hjalp med designet af den nye computerkode, sagde:"Med denne enorme stigning i numerisk effektivitet, det er nu muligt at følge den fulde dynamik af fuldt interagerende elektron-ion-systemer. Denne nye tilgang åbner således nye klasser af problemer for effektive løsninger, i særdeleshed, hvor enten systemet er under udvikling, eller hvor elektronernes kvantedynamik har en væsentlig effekt på de tungere ioner eller hele systemet.

"Dette nye numeriske værktøj vil være et stort aktiv, når man designer og fortolker eksperimenter på varmt tæt stof. og især når det kombineres med udpegede eksperimenter, vi kan lære meget om stof på store planeter og til laserfusionsforskning. Imidlertid, Jeg tror på, at dens sande styrke ligger i dens universalitet og mulige anvendelser inden for kvantekemi eller stærkt drevne faste stoffer."